怎么測(cè)試樣品的導(dǎo)熱系數(shù)？

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發(fā)表時(shí)間：2020-12-25 09:16作者：鑠思百檢測(cè)來源：鑠思百檢測(cè)

眾所周知，隨著溫度升高，電子器件可靠性和壽命將呈指數(shù)規(guī)律下降。對(duì)于LED產(chǎn)品和器件來說，選用導(dǎo)熱系數(shù)和熱阻盡可能小的原材料是改善產(chǎn)品散熱狀況、提高產(chǎn)品可靠性的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。在LED產(chǎn)品中，經(jīng)常會(huì)使用到大量的導(dǎo)熱電絕緣界面材料，而由于導(dǎo)熱材料本身質(zhì)量參差不齊，同時(shí)，由于各家使用的測(cè)試設(shè)備和測(cè)試方法不同，經(jīng)常導(dǎo)致同一產(chǎn)品測(cè)得的熱阻或?qū)嵯禂?shù)出入較大，造成實(shí)際使用中經(jīng)常出現(xiàn)糾紛、數(shù)據(jù)誤解、造假等亂象。鑒于此，鑠思百檢測(cè)LED品質(zhì)實(shí)驗(yàn)室專門推出“導(dǎo)熱系數(shù)鑒定”的業(yè)務(wù)，通過鑠思百特定檢測(cè)設(shè)備和標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范LED市場(chǎng)，逐漸形成統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，給出可參考的LED導(dǎo)熱材料熱阻或?qū)嵯禂?shù)值。

服務(wù)客戶：PCB、MCPCB板生產(chǎn)廠商，陶瓷基板生產(chǎn)商，導(dǎo)熱膏、導(dǎo)熱片和導(dǎo)熱類塑料生產(chǎn)商，金屬散熱器生產(chǎn)商，LED燈具廠，LED照明廠

鑠思百導(dǎo)熱系數(shù)/熱阻鑒定具有以下幾大優(yōu)勢(shì)：

1.統(tǒng)一檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)：由于各家使用的測(cè)試設(shè)備和測(cè)試方法不同，經(jīng)常導(dǎo)致同一產(chǎn)品測(cè)得的熱阻或?qū)嵯禂?shù)出入較大，造成實(shí)際使用中經(jīng)常出現(xiàn)糾紛、數(shù)據(jù)誤解、造假等亂象。鑠思百通過特定的檢測(cè)設(shè)備和標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范LED市場(chǎng)，逐漸形成統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，給出大眾認(rèn)可、極具參考性的LED導(dǎo)熱材料熱阻或?qū)嵯禂?shù)值。

2.為價(jià)格比較提供數(shù)據(jù)支撐：以鋁基板為例，不同產(chǎn)品導(dǎo)熱系數(shù)的高低直接決定了其價(jià)格的高低，1W/m?K和2W/m?K的材料價(jià)格可以相差近一倍。然而由于各檢測(cè)設(shè)備和測(cè)試方法不同，有的采用基板的整個(gè)厚度作計(jì)算，有的以絕緣層厚度作計(jì)算，在產(chǎn)品甄選時(shí)極易導(dǎo)致導(dǎo)熱系數(shù)的比較出現(xiàn)造假、誤解等亂象，鑠思百LED品質(zhì)實(shí)驗(yàn)室擁有業(yè)內(nèi)最高端和穩(wěn)定的材料導(dǎo)熱系數(shù)/熱阻測(cè)試設(shè)備，引用業(yè)內(nèi)目前最公認(rèn)的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)測(cè)試結(jié)果附以詳細(xì)的解釋說明，為客戶在產(chǎn)品甄選時(shí)提供最有力的數(shù)據(jù)支撐。

關(guān)鍵詞定義：熱阻：熱量在熱流路徑上傳遞時(shí)遇到的阻力，反映介質(zhì)或介質(zhì)間的傳熱能力的大小，表明了1W的熱量在1m2的面積內(nèi)所引起的溫升大小，單位為m2K/W或m2℃/W。導(dǎo)熱系數(shù)：在穩(wěn)定傳熱條件下，1m厚的材料，上下兩側(cè)表面的溫差為1度（K,°C），在1秒內(nèi)，通過1m2面積傳遞的熱量，用λ表示，單位為瓦/米?開爾文（W/m?K），此處K可用°C代替。（注意攝氏度和開爾文僅在溫標(biāo)表示上有所區(qū)別，在表示溫差的量值意義上等價(jià)，因此這些單位中的℃和K可以任意互相替換。）

檢測(cè)方法：

針對(duì)導(dǎo)熱硅膠片、導(dǎo)熱硅脂、硅膠布、相變材料、鋁基板、覆銅基板（導(dǎo)熱系數(shù)0.05W/mK--20.00W/mK），選擇穩(wěn)態(tài)熱流法；針對(duì)金屬、合金等均勻的、各向同性高導(dǎo)熱的固體材料，選擇激光閃射法。

檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)：

穩(wěn)態(tài)熱流法: ASTM D5470; 激光閃射法：ASTM E1461

穩(wěn)態(tài)熱流法測(cè)試原理：

穩(wěn)態(tài)熱流法是基于測(cè)試兩平行等溫界面中厚度均勻試樣的理想熱傳導(dǎo)。試樣兩接觸界面間施加不同溫度，使得試樣上下兩面形成溫度梯度，促使熱流量全部垂直穿過試樣測(cè)試表面而沒有側(cè)面的熱擴(kuò)散。測(cè)試方法：將厚度一定的方形樣品插入于兩熱等溫的平行表面之間，熱梯度通過兩接觸面的溫度差施加在試樣上，導(dǎo)致熱流從試樣通過，熱流垂直且均衡的穿過測(cè)試表面，同時(shí)確保無橫向熱傳輸。設(shè)備通過偵測(cè)出流過試樣的熱流量及熱端面和冷端面的溫度，推算出試樣的熱阻及導(dǎo)熱系數(shù)。

樣品尺寸：正方形：26mm×26mm，厚度<5mm；

測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)：ASTM D 5470-06

測(cè)試項(xiàng)目：導(dǎo)熱系數(shù)、熱阻

測(cè)試范圍：熱阻＞0.01℃?cm2/W，熱傳導(dǎo)系數(shù)＜20W/m℃，適用于低導(dǎo)熱材料；可控制材料之受熱面溫度或冷卻面溫度，分析材料在不同溫度下的熱阻，不同壓力及加熱功率的熱阻測(cè)試，可作材料于長(zhǎng)期反復(fù)加熱之壽命試驗(yàn)。

測(cè)試溫度：室溫 to 180℃

測(cè)試類別：硅膠、硅橡膠、導(dǎo)熱樹脂、固體絕緣材料、導(dǎo)熱膏、導(dǎo)熱片、導(dǎo)熱膠、界面材料、相變化材料、玻璃、陶瓷、氧化鋁瓷、氧化鈹瓷、金屬、基板、鋁基板、覆銅基板、軟板導(dǎo)熱硅膠、導(dǎo)熱灌封膠、導(dǎo)熱雙面膠、導(dǎo)熱絕緣墊片、鋁箔散熱膜、銅箔散熱膜、鋁制散熱片、天然石墨膜、人工石墨膜、納米碳散熱膜、導(dǎo)熱塑料、導(dǎo)熱陶瓷、導(dǎo)熱相變材料、石墨烯散熱膜等低導(dǎo)熱材料。檢測(cè)材料為固態(tài)片狀，加圍框可檢測(cè)粉狀態(tài)材料及膏狀材料。

激光散射法測(cè)試原理:

激光散射法是使用脈沖激光照射到試樣的一個(gè)表面，然后通過紅外線測(cè)溫器監(jiān)控另一表面的溫度變化情況。激光閃射法測(cè)量材料導(dǎo)熱系數(shù)的原理是根據(jù)導(dǎo)熱系數(shù)K與熱擴(kuò)散系數(shù)A、比熱容c和體積密度Q三者之間的關(guān)系，如下式給出，首先測(cè)出試樣的體積密度Q，然后分別或者同時(shí)測(cè)量出材料的熱擴(kuò)散系數(shù)A和比熱容c，則根據(jù)下式即可計(jì)算出材料的導(dǎo)熱系數(shù)。

激光閃射法的物理模型是，如果能量為Q的激光脈沖被一圓片狀試樣(厚度為L(zhǎng))的正面吸收，同時(shí)試樣及激光脈沖應(yīng)滿足以下條件：1、熱量在試樣內(nèi)是一維熱流；2、試樣表面沒有熱損失；3、激光脈沖能量被試樣正面均勻吸收；4、激光脈沖寬度足夠；5、激光脈沖能量的吸收僅在正面很小的厚度內(nèi)發(fā)生；6、試樣是均勻不透光的；7、試驗(yàn)條件下,溫度保持恒定。當(dāng)測(cè)試過程滿足以上條件時(shí)，那么在試樣內(nèi)熱量的傳輸可認(rèn)為是一維熱流。因此，由激光脈沖瞬間輻射而引起背面的溫度變化及分布可用簡(jiǎn)化的數(shù)學(xué)方法進(jìn)行描述和計(jì)算。

測(cè)試介紹

激光頭位于儀器下部位，樣品放置在管狀爐體中央的樣品支架上。不同類型的爐子可達(dá)到的最高測(cè)試溫度不同，最高可達(dá)1000℃（石墨爐體）。用InSb檢測(cè)器測(cè)量樣品背部的溫升，該檢測(cè)器位于系統(tǒng)的頂部。儀器的垂直結(jié)構(gòu)確保了良好的信噪比與樣品形狀的靈活性。應(yīng)用激光閃射法時(shí)，樣品在爐體中被加熱到所需的測(cè)試溫度。隨后，由激光器產(chǎn)生的一束短促激光脈沖對(duì)樣品的前表面進(jìn)行加熱。熱量在樣品中擴(kuò)散，使樣品背部的溫度上升。用紅外探測(cè)器測(cè)量溫度隨時(shí)間上升的關(guān)系。

樣品尺寸：圓柱的片狀：直徑12.7mm±0.1mm，厚度:0.5mm～4mm。

測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)：ASTM E1461

測(cè)試項(xiàng)目：導(dǎo)熱系數(shù)、熱擴(kuò)散系數(shù)、比熱容

導(dǎo)熱系數(shù)范圍：0.1~2000W/m·K

測(cè)試溫度：室溫 to 1000°C

測(cè)試類別：金屬、合金、塑料、陶瓷、橡膠、粉末、纖維（需壓片）等均勻、各向同性的固體材料的導(dǎo)熱性能，導(dǎo)熱系數(shù)最高可以測(cè)試2000W/m·K。

鑠思百檢測(cè)應(yīng)用舉例：

案例1：LED鋁基板

LED鋁基板的導(dǎo)熱系數(shù)和基板中間的絕緣層有關(guān)，因此，測(cè)試鋁基板的導(dǎo)熱系數(shù)，實(shí)際上是測(cè)量絕緣層的導(dǎo)熱系數(shù)，在測(cè)試過程中要涉及到切片用掃描電鏡測(cè)量絕緣層的厚度，再通過計(jì)算公式得出絕緣層的厚度。下面這個(gè)導(dǎo)熱系數(shù)認(rèn)證案例，鑠思百測(cè)得基板的總熱阻為0.72℃·cm2/W。取送測(cè)基板，制作切片樣品，掃描電鏡SEM測(cè)得基板厚度約1232.14μm，絕緣層厚度約132.60μm，通過計(jì)算得出絕緣層導(dǎo)熱系數(shù)1.851W/m·℃，此數(shù)值也為該鋁基板的導(dǎo)熱系數(shù)。

基板樣品

掃描電鏡測(cè)試基板總厚度掃描電鏡測(cè)試絕緣層厚度

測(cè)試結(jié)果表1

案例2：導(dǎo)熱膏

客戶送測(cè)A、B兩款導(dǎo)熱膏樣品，要求于熱面溫度為80℃狀態(tài)下，對(duì)兩款導(dǎo)熱膏樣品進(jìn)行導(dǎo)熱系數(shù)對(duì)比測(cè)試。測(cè)試中，采用如下圖所示的治具，控制樣品分別在0.1mm，0.2mm，0.3mm厚度，分別測(cè)試樣品在三種厚度下的熱阻，從而可以在以厚度為橫坐標(biāo)、熱阻值為縱坐標(biāo)的坐標(biāo)系中擬合出一條直線，直線的斜率的倒數(shù)即為導(dǎo)熱膏樣品的導(dǎo)熱系數(shù)。