基于激光闪射法热界面材料导热系数和接触热阻测量方法

技术领域

本发明实施例涉及热界面材料性能测量技术领域，尤其涉及一种基于激 光闪射法热界面材料导热系数和接触热阻测量方法。

背景技术

随着电子元器件的集成度越来越高、功能越来越强，电器元器件的热流 密度随之急剧增加。为了保证核心电子元器件的有效散热，目前学者主要研 究各种各样热界面材料来消除电子元器件和热沉之间的接触热阻，从而保证 电子元器件的正常工作温度。常用的热界面材料主要包括导热硅脂、导热硅 胶片及其它聚合物中添加高导热颗粒。这些热界面材料在正常使用情况下是 膏状物。如何能够测量这些膏状物热界面材料的导热系数和在实际使用中的 接触热阻对于新型热界面材料的开发是至关重要的。

目前界面接触热阻测量方法最常用的是稳态法：在两接触样品上维持一 定的温差，测量两样品轴向上的温度，再由傅里叶定律外推至接触界面处从 而得到界面上的温差；热流量可以由热流量计测量，从而R＝|T₁-T₂|/Q。这 种稳态温度场测量方法有几个显著的缺陷，首先，每次测量时间很长，需要 8小时左右；其次，热电偶的嵌入破坏了本身的温度场造成测量不准确。也 有学者采用精度为0.1℃的红外成像系统代替热电偶对接触界面进行二维界 面温度记录，此方法虽然避免了采用热电偶接触式测量的诸多弊病，但如何 进一步提高其精度有待更进一步的研究。

激光闪射法也是一种常用的接触热阻实验测量方法，它是一种瞬态法。 其通过对两接触薄壁时间的一侧表面施加一短激光脉冲进行加热，在另一侧 记录温度响应。但是这种方法目前只要是用来测量固体材料的热扩散系数， 无法直接测量膏状物或者液态物质的导热系数。

发明内容

本发明实施例提供一种基于激光闪射法热界面材料导热系数和接触热阻 测量方法，以克服上述技术问题。

本发明的一种基于激光闪射法热界面材料导热系数和接触热阻测量方 法，包括：

加工至少两个激光闪射法测量试样，所述测量试样为三层结构，所述三 层结构的上、下两层为金属片，中间层为膏状物热界面材料；

采用激光闪射法测量所述三层结构试样中的所述膏状物热界面材料的导 热系数和膏状物热界面材料与所述两层金属片之间的接触热阻。

进一步地，所述加工至少两个激光闪射法测量试样，包括：

加工四个圆形金属片，第一、第二、第三圆形金属片厚度相同，第四圆 形金属片内嵌圆形槽；

将所述第一与第二圆形金属片中涂抹膏状物热界面材料并挤压构成第一 激光闪射法测量试样，所述第三、第四圆形金属片中涂抹膏状物热界面材料 并挤压构成第二激光闪射法测量试样。

进一步地，所述采用激光闪射法测量所述三层结构试样中的所述膏状物 热面材料的导热系数和膏状物热界面材料与所述两层金属片之间的接触热 阻，包括：

利用激光闪射法直接对所述三层结构试样进行导热系数测量，得到至少 两个三层结构试样的整体导热系数；

根据所述三层结构试样导热系数与所述三层结构试样厚度确定至少两个 三层结构试样的整体热阻，采用公式

$R_{tot,i}=\frac{t_{sam,i}}{k_{sam,i}}---\left(1\right)$

其中，所述t_sam,i为三层结构试样厚度；k_sam,i为所测得的三层结构试样导 热系数；下标_i为三层结构试样标号。

根据三层结构试样的直径与所述圆槽的直径确定所述三层结构试样的圆 环区域热阻，采用公式

$R_{ring}=R_{tot,1}\times \frac{D^2}{D^2-d^2}---\left(2\right)$

其中，R_ring为三层结构试样圆环区域热阻，R_tot,1为1号三层结构试样总 热阻，D为三层结构试样的直径；d为圆槽的直径；

根据所述整体热阻与所述圆环区域热阻确定所述三层结构试样的圆槽区 域热阻，采用公式

$\frac{1}{R_{groove,i}}=\frac{1}{R_{tot,i}}-\frac{1}{R_{ring}}---\left(3\right)$

其中，R_tot,i为所制备试样i的整体热阻，R_ring为试样1圆环部分的热阻， R_groove,i为试样i圆槽部分的热阻；

采用公式

R_groove＝R_M1+R_c1+R_TIM+R_c2+R_M2(4)

$R_M=\frac{t_M}{k_M}=R_{M1}+R_{M2}---\left(5\right)$

$R_{groove}-R_M=R_{tot,TIM}=\frac{1}{k_{TIM}}BLT+2R_c---\left(6\right)$

确定所述热界面材料的厚度以及热界面材料产生的总热阻R_tot,TIM，其 中，R_groove为试样圆槽区域热阻，R_M1和R_M2分别为上下金属片的热阻，R_M为 上下金属片热阻之和，R_tot,TIM为热界面材料产生的总热阻，BLT为热界面材 料的厚度，k_TIM为热界面材料导热系数，R_c为热界面材料与上下金属片之间 的接触热阻；

根据至少两组热界面材料的厚度与所述热界面材料产生的总热阻进行直 线拟合，得到对应直线方程；

根据所述直线方程确定所述热界面材料的导热系数为所述直线方程的斜 率的倒数以及所述热界面材料与铜片之间接触热阻为所述直线方程的截距的 1/2。

本发明通过设计具有特殊结构的金属片，结合激光闪射法对膏状物热界 面材料的导热系数和其作为热界面材料时与相应接触面之间的接触热阻进行 快速测量。克服现有激光闪射法无法测量膏状物热界面材料导热系数和接触 热阻的技术缺陷。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实 施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下 面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在 不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明基于激光闪射法热界面材料导热系数和接触热阻测量方法 流程图；

图2为本发明激光闪射法测量试样金属片示意图；

图3为本发明圆形槽区域总热阻网络分析示意图；

图4为本发明圆形槽区域总热阻网络示意图；

图5为本发明直线拟合示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发 明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述， 显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于 本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获 得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图1为本发明基于激光闪射法热界面材料导热系数和接触热阻测量方法 流程图，如图1所示，本实施例的方法可以包括：

步骤101、加工至少两个激光闪射法测量试样，所述测量试样为三层结 构，所述三层结构的上、下两层为金属片，中间层为膏状物热界面材料；

步骤102、采用激光闪射法测量所述三层结构试样中的所述膏状物热界 面材料的导热系数和膏状物热界面材料与上下金属片之间的接触热阻。

进一步地，所述加工至少两个激光闪射法测量试样，包括：

采用数控铣床加工四个圆形金属片，第一、第二、第三圆形金属片厚度 相同，第四圆形金属片内嵌圆形槽；

将所述第一与第二圆形金属片中涂抹膏状物热界面材料并挤压构成第一 激光闪射法测量试样，所述第三、第四圆形金属片中涂抹膏状物热界面材料 并挤压构成第二激光闪射法测量试样。

具体来说，本方法中激光闪射法测量试样至少为两个，为提高测量的准 确性，本实施例中采用5个测量试样，也即加工10个直径为D＝12.6mm的圆 形金属片，该厚度可根据激光导热仪设备相配合即可，对此不做限定。然后 其中4个圆形金属片上再加工出深度逐一增加，分别为0.3mm、0.4mm、 0.5mm和0.6mm的圆形槽，该圆形槽的直径为d＝10.6mm，如图2所示，金 属片A为首次加工的直径为12.6mm的圆形金属片，金属片B、C、D、E分 别为再次加工的深度分别为0.3mm、0.4mm、0.5mm和0.6mm的圆形槽的金 属片。将待测膏状物热界面材料均匀涂抹在上述制备完成的金属片上，然后 利用另外一片圆形金属片覆盖在其上面，最后利用相同重量的重物进行挤 压。此时多余的膏状物热界面材料会从上下两片金属片之间溢出，对其进行 清理后可以得到用于激光导热仪测量的三层结构试样。在进行激光闪射法测 量之前，需要对所制备三层结构试样的物理参数进行准确测量。这些参数包 括：涂抹热界面材料前两金属片总厚度t_M,_tot、涂抹热界面材料后试样总厚度 t_sam、涂抹热界面材料后试样总质量m_sam、圆形槽的深度t_groove等。

此时，涂抹完热界面材料后试样的密度为

$\rho =\frac{4·m_{sam}}{{\mathrm{\pi D}}^2{t}_{sam}}---\left(1\right)$

圆形槽区域热界面材料的厚度BLT为：

BLT＝t_sam-t_M,tot+t_groove(2)

圆形槽区域上下两片金属片厚度之和为：

t_M＝t_M,tot-t_groove(3)

进一步地，所述采用激光闪射法测量所述三层结构试样中的所述膏状物 热界面材料的导热系数和膏状物热界面材料与上下金属片之间的接触热阻， 包括：

采用激光脉冲对所述试样的下表面金属片加热，利用红外探测器测量所 述试样上表面金属片片升至最大温升的时间；

根据所述试样的测量参数确定热扩散系数，采用公式

α＝0.138×t_sam²/t₁₂(4) 其中，所述t_sam为涂抹热界面材料后试样总厚度，所述t_1/2是指试样上表面 温度升到最高温度一半时所需的时间；

根据公式

$C_p^{sam}=\frac{{\mathrm{\Delta T}}_{ref}*m_{ref}}{{\mathrm{\Delta T}}_{sam}*m_{sam}}*C_p^{ref}---\left(5\right)$

确定所述三层结构试样的比热容，其中，所述C_p^sam，C_p^ref分别为待测试 样和标准试样的比热，m_sam，m_ref分别为待测试样和标准试样的质量，ΔT_sam， ΔΤ_ref分别指待测试样和标准试样在测量过程中上表面产生的最大温升；

根据所述比热容与所述热扩散系数确定所述三层结构试样的导热系数， 采用公式

k＝αρC_p(6)

其中，k为所述三层结构试样导热系数，ρ为所述三层结构试样密度， C_p为所述三层结构试样比热容；

根据所述所述三层结构试样导热系数与所述三层结构试样厚度确定至少 两个三层结构试样的整体热阻，采用公式

$R_{tot,i}=\frac{t_{sam,i}}{k_{sam,i}}---\left(7\right)$

其中，所述t_sam,i为三层结构试样厚度；k_sam,i为所测得的三层结构试样导 热系数；下标_i为三层结构试样标号。

根据三层结构试样的直径与所述圆槽的直径确定所述三层结构试样的圆 环区域热阻，采用公式

$R_{ring}=R_{tot,1}\times \frac{D^2}{D^2-d^2}---\left(8\right)$

其中，R_ring为三层结构试样圆环区域热阻，R_tot,1为1号三层结构试样总 热阻，D为三层结构试样的直径；d为圆槽的直径；

根据所述整体热阻与所述圆环区域热阻确定所述试样的圆槽区域热阻， 采用公式

$\frac{1}{R_{groove,i}}=\frac{1}{R_{tot,i}}-\frac{1}{R_{ring}}---\left(9\right)$

其中，R_tot,i为所制备试样i的整体热阻，R_ring为试样1圆环部分的热阻， R_groove,i为试样i圆槽部分的热阻；

采用公式

R_groove＝R_M1+R_c1+R_TIM+R_c2+R_M2(10)

$R_M=\frac{t_M}{k_M}=R_{M1}+R_{M2}---\left(11\right)$

$R_{groove}-R_M=R_{tot,TIM}=\frac{1}{k_{TIM}}BLT+2R_c---\left(12\right)$

确定所述热界面材料的厚度BLT以及热界面材料产生的总热阻R_tot,TIM， 其中，R_groove为试样圆槽区域热阻，R_M1和R_M2分别为上下金属片的热阻，R_M为上下金属片热阻之和，R_tot,TIM为热界面材料产生的总热阻，BLT为热界面 材料的厚度，k_TIM为热界面材料导热系数，R_c为接触热阻；

将所得到的至少两组BLT所对应的R_tot,TIM数据进行直线拟合，得到对应 直线方程。此时热界面材料的导热系数可以由所对应直线方程斜率的倒数计 算得到，热界面材料与铜片之间接触热阻为直线方程的截距的1/2。

具体来说，为了得到具有不同厚度热界面材料试样的整体热阻，需要进 行如图3所示的分析。图3中(a)为第一试样的结构图，(b)为第二试样 至第五试样的结构图，(c)为各试样圆环区域图，(d)为各试样圆形槽区 域图，(e)为热阻网络图，对于所有试样来说，R_tot可以认为是由R_ring与R_groove并联组成，如图3(e)中的热阻网络所示。因此，所制备5种试样的圆槽区 域热阻R_groove可以由公式(9)计算所得。

圆环部分的热阻R_ring可以根据如图3(a)所示试样1的整体热阻R_tot,1计算得到，如公式(8)所示。

通过对各试样圆槽区域进行热阻分析，可以得到如图4所示的热阻网络 图。如图4所示，R_groove由5个热阻分量组成，可以利用公式(10)表达。 其中上下金属片的热阻之和可以利用公式(11)进行计算。根据各试样圆 槽区域的热阻网络分析和公式(11)，可以得出公式(12)。由公式(12) 可知由热界面材料产生的总热阻R_tot,TIM与热界面材料的厚度BLT呈线性 关系。

最后，将所得到的5组BLT所对应的R_tot,TIM数据进行直线拟合，得到对 应直线方程。此时热界面材料的导热系数可以由所对应直线方程斜率的倒数 计算得到，热界面材料与铜片之间接触热阻为直线方程的截距的1/2。如图5 所示。

举例说明，以测量Ga62.5In21.5Sn16液态金属的导热性能为例， Ga62.5In21.5Sn16液态金属的熔点为10.7℃，常温下为液态。

1、特殊结构金属片制备：利用数控铣床加工5个直径为D＝12.6mm的圆 形铜片。然后在其中4个已加工完成的圆形铜片上再加工出深度分别为 0.297mm、0.392mm、0.436mm和0.603mm的圆形槽，圆形槽的直径为 d＝10.6mm。

2、激光导热仪测量试样制备：将待测Ga62.5In21.5Sn16液态金属均匀 涂抹在上述制备完成的铜片上，然后利用另外一片圆形铜片覆盖在其上面， 最后利用重量为4.2Kg的不锈钢板进行挤压。此时多余的Ga62.5In21.5Sn16 液态金属会从上下两片铜片之间溢出，对其进行清理后可以得到用于激光导 热仪测量的三层结构试样。

3、所制备试样参数测量：利用Olympus光学显微镜和电子天平测量并 计算以下参数：涂抹热界面材料前两铜片总厚度t_M,tot、涂抹热界面材料后试 样总厚度t_sam、试样整体密度ρ、圆形槽区域液态金属层厚度BLT、圆形槽区 域铜片厚度t_M。表1为制备试样参数测量结果表。

表1

4、激光闪射法测量：应用激光闪射法对上述试样进行导热性能测量。 所测得热扩散系数α、比热值C_p和导热系数k的测量结果如表2所示。

表2

5、试样热阻计算：根据表1和表2中的测量结果和发明内容中第5部 分，可以针对所制备试样分别计算其总热阻R_tot，圆形区域热阻R_groove，圆环 形区域热阻R_ring，上下铜片热阻R_M和由液态金属产生的总热阻R_tot,TIM。计算 结果如表3所示。其热阻的单位为(mm²K/W)。

表3

6、根据表1中的BLT和表3中R_tot,TIM的测量和计算结果可以得到表4。

表4

可以发现，R_tot,LMA随着BLT呈线性变化趋势，因此可以通过最小二乘法 对测试结果进行拟合，得到拟合直线。结果如公式(13)和图5所示。

Y＝22.482×BLT+8.088(13)

此时可以根据拟合直线(13)斜率的倒数和与Y轴的截距计算得到 Ga62.5In21.5Sn16液态金属的导热系数为44.48W/mK，对应的接触热阻为 4.044mm2K/W。

本发明通过设计具有特殊结构的金属片，结合激光闪射法对膏状物热界 面材料的导热系数和其作为热界面材料时与相应接触面之间的接触热阻进行 快速测量。克服现有激光闪射法无法测量膏状物热界面材料导热系数和接触 热阻的技术缺陷，本发明通过设计具有特殊结构的金属片，结合激光闪射法 可以实现膏状物热界面材料的快速、准确测量。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对 其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通 技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修 改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替 换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。