常用高效導(dǎo)熱界面材料導(dǎo)熱性能測(cè)試評(píng)價(jià)簡(jiǎn)述

熱設(shè)計(jì) 2023-05-01

來源：賽寶可靠性

作者：張瑩潔、王子涵

隨著科技的發(fā)展，導(dǎo)熱界面材料在微電子、電工電氣、太陽能、汽車電子、航空航天、國(guó)防軍工等領(lǐng)域應(yīng)用越來越廣，但是大家對(duì)于材料導(dǎo)熱性能的測(cè)試卻不那么清楚，材料的導(dǎo)熱性能受到熱阻、硬度、厚度等參數(shù)的影響，然而評(píng)價(jià)一個(gè)材料導(dǎo)熱性能的關(guān)鍵指標(biāo)是導(dǎo)熱系數(shù)，它用來表征材料導(dǎo)熱能力的大小，是衡量材料傳導(dǎo)熱能的一個(gè)重要基本物理參數(shù)。然而想要準(zhǔn)確測(cè)量一個(gè)材料的導(dǎo)熱系數(shù)并不是件容易的事情，不同的測(cè)試方法適合不同的材料，選對(duì)方法才能使我們準(zhǔn)確得知材料的導(dǎo)熱系數(shù)，從而對(duì)材料有一個(gè)更深入的認(rèn)識(shí)。下面讓我們來看看市面上常見的幾種導(dǎo)熱系數(shù)的測(cè)試方法：在介紹具體的導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試方法前，首先我們先來大體了解一下不同種類的測(cè)試方法，總體分為兩類，穩(wěn)態(tài)法和瞬態(tài)法，如表1所示。

表1 穩(wěn)態(tài)法與瞬態(tài)法對(duì)比

穩(wěn)態(tài)法與瞬態(tài)法各有千秋，其分支也是方法眾多，如圖1所示。

圖1 熱導(dǎo)率測(cè)量方法

下面我們將從穩(wěn)態(tài)法和瞬態(tài)法中各選取兩種具體的測(cè)量方法，從原理、標(biāo)準(zhǔn)、樣品適用性等方面對(duì)比不同的導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試方法。

01 熱流法（穩(wěn)態(tài)法）

適用標(biāo)準(zhǔn)ASTM D 5470-17：StandardTest Method for Thermal Transmission Properties of Thermally ConductiveElectrical Insulation Materials.

穩(wěn)態(tài)熱流法測(cè)試時(shí)要將待測(cè)樣品放置于上下兩個(gè)金屬棒之間，施加一定作用力使金屬棒端部貼緊試樣，減少接觸界面間的空氣間隙和接觸熱阻。由熱源(Heat Source)提供可控制的輸入熱量，經(jīng)過金屬棒→試樣→金屬棒。根據(jù)通過試樣的平均熱流與溫差測(cè)試熱阻抗，根據(jù)熱阻和厚度的比值計(jì)算導(dǎo)熱系數(shù)，如圖2所示。

圖2 穩(wěn)態(tài)熱流法原理及結(jié)構(gòu)示意圖

該方法適用于導(dǎo)熱系數(shù)較小的固體材料、纖維材料和多空隙材料，同時(shí)適用于均質(zhì)及非均質(zhì)之導(dǎo)熱電絕緣熱界面材料的等效熱傳導(dǎo)系數(shù)與熱阻抗測(cè)試，如：導(dǎo)熱膏、導(dǎo)熱片、導(dǎo)熱膠、硅橡膠、基板、鋁基板、覆銅基板、軟板等熱傳導(dǎo)系數(shù)＜20/m℃的材料。

02 防護(hù)熱板法（穩(wěn)態(tài)法）

適用標(biāo)準(zhǔn)ASTM E 1530-11：Standard Test Method for Evaluating the Resistance to ThermalTransmission of Materials by the Guarded Heat Flow Meter Technique.

防護(hù)熱板法的工作原理與熱流法類似，一般采用雙試件保護(hù)平板結(jié)構(gòu)，在熱板上下兩側(cè)各對(duì)稱放置相同的樣品和冷板，如圖3所示，試件周圍由保護(hù)層，主加熱板周圍環(huán)有輔助加熱板，以保證一維導(dǎo)熱狀態(tài)，達(dá)到一維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱狀態(tài)時(shí)，根據(jù)傅里葉定律可得導(dǎo)熱系數(shù)：

式中，q—主加熱板的加熱功率，單位W；δ—樣品厚度，單位m；A—樣品橫截面積，單位m²。

圖3 防護(hù)熱板法結(jié)構(gòu)原理圖

在已知樣品尺寸、主加熱板加熱功率后，利用熱電偶測(cè)得兩樣品上下表面的溫度，由上式即可求得材料在四個(gè)溫度的平均溫度時(shí)的導(dǎo)熱系數(shù)。該法可用于溫度范圍更大、量程較廣的場(chǎng)合，誤差較小且可用于測(cè)定低溫導(dǎo)熱系數(shù)。缺點(diǎn)是穩(wěn)定時(shí)間較長(zhǎng)，不能測(cè)定自然含水狀態(tài)下材料的導(dǎo)熱系數(shù)，需先對(duì)樣品進(jìn)行干燥處理而且樣品厚度對(duì)結(jié)果精度有較大影響。

03 激光閃射法（瞬態(tài)法）

適用標(biāo)準(zhǔn)：ASTM E 1461-13：Standard Test Method for ThermalDiffusivity of Solids by the Flash Method. & GB/T 22588-2008: 閃光法測(cè)量熱擴(kuò)散系數(shù)或?qū)嵯禂?shù)。

激光閃射法是一種用于測(cè)量高導(dǎo)熱界面材料與小體積固體材料的技術(shù)，在一定的設(shè)定溫度T（由爐體控制的恒溫條件）下，由激光源或閃光氙燈在瞬間發(fā)射一束光脈沖，均勻照射在樣品下表面，使其表層吸收光能后溫度瞬時(shí)升高，并作為熱端將能量以一維熱傳導(dǎo)方式向冷端（上表面）傳播。

圖4激光閃射法示意圖

使用紅外檢測(cè)器連續(xù)測(cè)量樣品上表面中心部位的相應(yīng)溫升過程，得到溫度（檢測(cè)器信號(hào)）升高對(duì)時(shí)間的關(guān)系曲線以及溫升達(dá)到最大值的二分之一時(shí)的時(shí)間（t1/2），通過公式計(jì)算得到熱擴(kuò)散系數(shù)α，其中δ是樣品厚度

導(dǎo)熱系數(shù)計(jì)算公式：

激光閃射法不僅能測(cè)量普通固體樣品的導(dǎo)熱性能，通過使用合適的夾具或樣品容器并選用合適的熱學(xué)計(jì)算模型，還可測(cè)量諸如液體、纖維、薄膜、熔融金屬、基質(zhì)上的涂層、多層復(fù)合材料、各向異性材料等特殊樣品的熱擴(kuò)散系數(shù)并計(jì)算導(dǎo)熱系數(shù)。高導(dǎo)熱樣品需要厚一點(diǎn)，而低導(dǎo)熱樣品需要薄一點(diǎn)。

04 平面熱源法（瞬態(tài)法）

適用標(biāo)準(zhǔn)：ISO 22007-2:2015 Plastics --Determination of thermal conductivity and thermal diffusivity -- Part 2:Transient plane heat source (hot disk) method.

將帶有自加熱功能的溫度探頭加載在樣品中，測(cè)試時(shí)在探頭上施加一個(gè)恒定的加熱功率，使其溫度上升，然后測(cè)量探頭本身和與探頭相隔一定距離的圓球面上的溫度隨時(shí)間上升的關(guān)系，通過數(shù)學(xué)模型擬合同時(shí)得到樣品的導(dǎo)熱系數(shù)和熱擴(kuò)散系數(shù)。

探頭表面平均溫升：

其中，P0—探頭輸出功率，r —探頭半徑，通過瞬態(tài)曲線斜率可以計(jì)算出導(dǎo)熱系數(shù)。

圖5 平面熱源法示意圖

適用該方法的樣品形式多樣，可測(cè)試固體，液體，膠體，粉末，帶有孔隙的材料以及各向異性材料，也可對(duì)薄膜及涂層材料進(jìn)行測(cè)試。該方法具有可直接測(cè)量熱傳導(dǎo)，節(jié)約時(shí)間；測(cè)試范圍寬，精度高；不受接觸熱阻的影響；只需平整的樣品表面，無須特別的樣品制備。同時(shí)，不同型號(hào)的探頭對(duì)樣品尺寸有不同的要求。

同樣的，一個(gè)導(dǎo)熱界面材料性能好壞并不能僅僅看其導(dǎo)熱系數(shù)的大小，與其自身性能也有很大關(guān)系，以導(dǎo)熱硅脂為例，我們來看看除了導(dǎo)熱系數(shù)我們還需要知道它的哪些性能才能投入使用呢。

表2 導(dǎo)熱硅脂常規(guī)性能測(cè)試