Steady-state methods for measuring in-plane thermal conductivity of thin films for heat spreading applications

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作者
Nicholas Hines,Luke Yates,Brian M. Foley,Zhe Cheng,Thomas L. Bougher,Mark S. Goorsky,Karl D. Hobart,Tatyana I. Feygelson,Marko J. Tadjer,Samuel Graham
出处
期刊:Review of Scientific Instruments [American Institute of Physics]
卷期号:92 (4) 被引量:7
标识
DOI:10.1063/5.0039966
摘要

The development of high thermal conductivity thin film materials for the thermal management of electronics requires accurate and precise methods for characterizing heat spreading capability, namely, in-plane thermal conductivity. However, due to the complex nature of thin film thermal property measurements, resolving the in-plane thermal conductivity of high thermal conductivity anisotropic thin films with high accuracy is particularly challenging. Capable transient techniques exist; however, they usually measure thermal diffusivity and require heat capacity and density to deduce thermal conductivity. Here, we present an explicit uncertainty analysis framework for accurately resolving in-plane thermal conductivity via two independent steady-state thermometry techniques: particle-assisted Raman thermometry and electrical resistance thermometry. Additionally, we establish error-based criteria to determine the limiting experimental conditions that permit the simplifying assumption of one-dimensional thermal conduction to further reduce thermal analysis. We demonstrate the accuracy and precision (<5% uncertainty) of both steady-state techniques through in-plane thermal conductivity measurements of anisotropic nanocrystalline diamond thin films.

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