ASTM D5470測(cè)試精度不夠高，怎么還有那么多TIMs廠商鐘情于它？

不同廠家測(cè)試同一款導(dǎo)熱界面材料的導(dǎo)熱系數(shù)，所得結(jié)果相差較大，為什么會(huì)這樣？

首先，采用ASTM D5470標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)量設(shè)備測(cè)試材料的熱阻和導(dǎo)熱系數(shù)時(shí)，一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題是如何保證測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性和重現(xiàn)性。其次材料熱物性的測(cè)試跟生產(chǎn)管理體系類(lèi)似，想要獲取精準(zhǔn)可靠的測(cè)試數(shù)據(jù)，同樣要注意“人、機(jī)器、物料、方法、環(huán)境”等各個(gè)要素。

下面將簡(jiǎn)要介紹影響ASTM D5470測(cè)量精度的常見(jiàn)因素

（1）漏熱和熱流測(cè)試誤差

關(guān)于熱流的計(jì)算，主要有兩種方法。其中一種是選用已知導(dǎo)熱系數(shù)的高導(dǎo)熱材料（如純銅）作為熱流計(jì)來(lái)測(cè)試流經(jīng)試樣上的熱流。所以熱流的測(cè)量準(zhǔn)確性取決于充當(dāng)熱流傳感器（熱流計(jì)）的高導(dǎo)熱材料的導(dǎo)熱系數(shù)的準(zhǔn)確性。此時(shí)的ASTM D5470是一種相對(duì)法。

另一種是利用加熱器的電氣輸入?yún)?shù)（電壓、電流）直接計(jì)算。由于隔熱保溫材料的性能限制，總有一小部分熱量會(huì)泄露。這部分漏熱并未對(duì)TIMs（Thermal Interface Materials）上下表面的溫度差有貢獻(xiàn)，但卻作為分母參與了熱阻計(jì)算，導(dǎo)致熱阻計(jì)算值偏低。為了獲取準(zhǔn)確的測(cè)量結(jié)果，需對(duì)這部分漏熱進(jìn)行修正，或采用特殊的措施實(shí)現(xiàn)絕熱邊界條件。

關(guān)于熱源漏熱引起的誤差，可采用保護(hù)熱板法中用到的補(bǔ)償加熱的思路，作為補(bǔ)償熱源漏熱的一個(gè)有效途徑（林唯耕教授在其著作《電子構(gòu)裝散熱理論與量測(cè)實(shí)驗(yàn)之設(shè)計(jì) 》中有較為詳細(xì)的介紹）。并且在ASTM D5470標(biāo)準(zhǔn)中也推薦采用這種補(bǔ)償加熱的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)理論上的絕熱邊界條件，如下圖。

以上方式在很多導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試儀器和熱分析儀器中都有較為廣泛的應(yīng)用。

（2）溫度測(cè)量精度

對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試儀器中溫度的測(cè)量精度要求非常高。對(duì)于采用ASTM D5470標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)量?jī)x器，一般需采用一等精度特殊誤差限的熱電偶，并進(jìn)行相應(yīng)的標(biāo)定或校準(zhǔn)。例如，某些儀器采用鉑電阻作為測(cè)溫元件，測(cè)溫精度更高，但價(jià)格更貴。

（3）導(dǎo)熱柱端面的粗糙度和平整度

用于夾住TIMs的上、下導(dǎo)熱柱端面的表面粗糙度要求至少要小于10um，平面度要小于30um。一般性能指標(biāo)要求比較高的熱阻測(cè)試儀器的端面采用特殊工藝進(jìn)行拋光，所以粗糙度能控制在幾微米，甚至0.5微米以?xún)?nèi)。為什么導(dǎo)熱柱的表面特性會(huì)影響導(dǎo)熱測(cè)試結(jié)果的測(cè)量精度？這是因?yàn)榇蟛糠执郎y(cè)TIMs材料的厚度僅為數(shù)百微米級(jí)別，而對(duì)于導(dǎo)熱硅脂來(lái)說(shuō)，實(shí)際涂布厚度將更小，厚度一般只有50~100um。

（4）導(dǎo)熱柱的對(duì)準(zhǔn)誤差

對(duì)于具有相同截面尺寸的導(dǎo)熱柱，如果對(duì)準(zhǔn)出現(xiàn)偏差將導(dǎo)致實(shí)際接觸面積偏小。即使對(duì)準(zhǔn)偏差只有1%，這在實(shí)踐中是很難發(fā)現(xiàn)的，而這將導(dǎo)致至少存在1%的熱阻測(cè)試誤差。D. R. Thompson等[1]提出上導(dǎo)熱柱和下導(dǎo)熱柱采用不同的截面尺寸可以消除對(duì)準(zhǔn)誤差。這種設(shè)計(jì)極大降低了樣品對(duì)齊的難度，有效提高測(cè)試結(jié)果的重現(xiàn)性。然而需特別注意的是：不同截面尺寸的導(dǎo)熱柱接觸時(shí)會(huì)引入擴(kuò)散熱阻。所以為了降低擴(kuò)散熱阻的影響，上、下導(dǎo)熱柱的截面面積不能相差過(guò)大。

（5）TIMs厚度測(cè)試誤差

由于熱阻結(jié)果與厚度相關(guān)，所以厚度測(cè)試的精度直接決定著熱阻測(cè)試精度。常見(jiàn)的TIMs的厚度多在幾百微米級(jí)別，要求熱阻測(cè)試儀需要具有在線厚度測(cè)試裝置，以便實(shí)時(shí)測(cè)試其厚度。

關(guān)于電絕緣固體材料的厚度測(cè)試方法，可以參考：ASTM D374 Test Methods for Thicknessof Solid Electrical Insulation (Metric).

（6）壓力測(cè)試誤差

導(dǎo)熱系數(shù)或熱阻測(cè)量?jī)x器設(shè)計(jì)中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)就是保持測(cè)試過(guò)程中所設(shè)置的測(cè)試壓力處于恒定值。精準(zhǔn)控制壓力的難度在于：在達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)前，在不同溫度下導(dǎo)熱柱的膨脹變形量不同，導(dǎo)致壓力隨之變化。一般較好的壓力誤差可控制在1psi以?xún)?nèi)，能滿(mǎn)足大多數(shù)測(cè)試的要求。

二、為什么導(dǎo)熱界面材料的熱阻和導(dǎo)熱系數(shù)的測(cè)試多選擇ASTM D5470作為標(biāo)準(zhǔn)？

測(cè)試的標(biāo)準(zhǔn)很多，為什么一定要選擇ASTM D5470？其實(shí)并非要選擇它。例如對(duì)于板狀、塊狀甚至流動(dòng)狀態(tài)的材料的導(dǎo)熱系數(shù)完全可采用HOT DISK方法進(jìn)行測(cè)試，而且這種測(cè)試方法是絕對(duì)法，從理論上說(shuō)其測(cè)試精度要高于ASTM D5470的相對(duì)法，實(shí)際的測(cè)試精度也如此。

但是，為什么國(guó)內(nèi)外大多數(shù)TIMs廠商還是鐘情于ASTM D5470？

這有一定的歷史傳承因素，因?yàn)橐环N標(biāo)準(zhǔn)一旦在某個(gè)細(xì)分領(lǐng)域中得到大家的認(rèn)可，別的測(cè)試方法就再難有取代的機(jī)會(huì)，這就是所謂的行業(yè)慣性。

另一方面，盡管ASTM D5470測(cè)試精度不夠高，但已能滿(mǎn)足大多數(shù)的工程應(yīng)用。更重要的是這種標(biāo)準(zhǔn)擁有其他測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)難以媲美的優(yōu)點(diǎn)：經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單改造，可以獲得與實(shí)際工況接近的條件，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)原位測(cè)試（In-situ Test），滿(mǎn)足不同壓力、不同溫度、濕度和溫度老化全過(guò)程中的熱性能測(cè)量。

但是，值得一提的是，不同測(cè)試方法（如ASTM D5470、HOT DISK法、激光閃射法ASTM E1461）一般不能進(jìn)行對(duì)比測(cè)量。這主要是由于不同測(cè)試方法所采用的測(cè)試模型和邊界條件不一樣。

[1] D. R. Thompson, S. R. Rao, and B.A. Cola,“A Stepped-Bar Apparatus for Thermal Resistance Measurements,”ASME Journal of Electronic Packaging.vol.135, p. 041002, 2013.

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