金属基覆铜板热导率测试方法探讨

金属基覆铜板热导率测试方法探讨
赵良、张伟、张力、杨振英 13927426159
一、金属基覆铜板市场现状及应用前景
随着科学技术的发展以及人们对电子产品轻、薄、小、多功能等要求的日渐提高，元 器件的自身的运算能力以及在印刷电路板上的集成度也越来越高， 随之而来的是功率不断增 加后对于 PCB 基板的散热性的要求越来越迫切。作为一个电子产品，如果承担元器件组装 载体的基板的散热性不好，就会导致印制电路板上元器件工作时产生的热量无法及时排除， 造成器件过热甚至损坏， 从而使整机可靠性下降。 正是在此背景下， 诞生了高散热金属 PCB 基板。 金属 PCB 基板是由电路层，高导热绝缘介质层和金属基板构成。电路层（即铜箔）通 常经过蚀刻形成印刷电路，使元件的各个部件相互连接，一般情况下，电路层要求具有很大 的载流能力，从而应使用较厚的铜箔，厚度一般 35μ m~280μ m；导热绝缘层是金属基板核 心技术之所在，它一般是由特种陶瓷填充的特殊的聚合物构成，热阻小，粘弹性能优良，具 有抗热老化的能力，能够承受机械及热应力，一般厚度为 80μm-100μm。金属基板按照不同 的金属种类，可以分为铝板、铜板、铁板、硅钢板等，厚度规格有 0.5mm，1.0mm，1.5mm， 2.0mm，3.0mm。各种金属基板中，铝基板由于具有良好的导热性、电气绝缘性能和机械加 工性能，在汽车、摩托车、计算机、家电、通讯电子产品、电力电子产品中得到了较为广泛 的应用，目前市场容量最大且未来发展潜力也不容小视。
直线的斜率的倒数 就是热导率（λ）
图 2.厚度－热阻曲线 对于单个试样，如果接触热阻相对于试样热阻非常小时（通常小于 1%） ，试样的热导 率可以直接用厚度 d 除以试样热阻 R 求出。计算公式如下： λ= d ……………………………………………（2） R
2.2 激光闪射法测试原理（ASTM E1461）简介
热极和冷极错位
图 6.热极和冷极错位示意图
3.3 测试结果分析
3.3.1 绝缘材料测试结果： 绝缘材料由于容易制备不同厚度的试样，所以便于使用作图法求热导率，且真实性更 好。以下列举几个华测检测的测试结果，见表 1。 表 1. 样品 编号 热阻 （m2K/W） 热导率 （W/wK） 作图
0.000340
3.2 测试中需要注意的一些细节问题
3.2.1 导热硅脂的选用： 1）金属基板或绝缘材料测试热导率时，必然会用到导热硅脂。导热硅脂的作用是填充 试样两表面与仪器冷、 热极接触面间的小孔隙， 使接触更加严密， 从而降低接触热阻。 然而，
导热硅脂自身也是具有一定热阻的， 如果使用导热性能本身就不是很好的导热硅脂， 接触热 阻就会增大，这时用公式 2 计算出的热导率就更趋于不准确。 目前市面上常见的导热硅脂导热系数主要是 1.0～5.0W/mK 之间， 华测检测推荐使用导 热系数≥4.0W/mK 的导热硅脂来进行金属基板和绝缘材料的热导率测试。 2）导热硅脂的涂抹要注意，只能涂到试样上、下两表面上，不能涂到试样侧壁上。由 于试验过程中试样会受到压力，加压后导热硅脂会向外围扩散，很容易流到侧壁上，所以在 测试前涂抹导热硅脂时就不要涂的太多太厚，而且也不要太靠近边缘，以防加压后溢出。如 图 5 所示。
图 4. DRL-III 型导热系数测试仪照片 3.1.2 设备测量装置简介： 本仪器主要由热流测试头、试样厚度测量系统、压力测量系统、电动加压系统、数据 测控系统、冷却恒温水槽和计算机系统组成。 热流测试头由加热器、连接样品的上下热极、冷却器、测量热电偶、保温套组成。加 热器采用黄铜材料加工而成，内装内热式加热器，由高精度数显温控表控温，提供稳定的热 极温度上下热极由纯铜制成，表面安装有热电偶，热极的作用是传递热量和测量热量。冷却 器也是黄铜材料加工而成，内有水槽，通过管道与外恒温水槽相连，利用外恒温水槽与冷却 器的水循环，在冷却器中形成第二恒温场，提供下热极冷端稳定温度。测量热电偶由 6 支组 成，分别测量上下热极表面的 6 个温度点，利用温度梯度计算热流量。试样测厚装置由位移 传感器和数字显示仪表组成， 可实时检测试样厚度。 压力测量系统由压力传感器和数字显示 仪表组成，可实时检测试样压力。电动加压系统由电机、直线减速机、电子调速器和控制电 路组成，实现自动加压和卸载。计算机系统完成数据采集、数据处理、仪器控制，实现全自 动测试。 3.1.3 测试条件： 1）为测得较为准确的热导率值，每类样品都需三种不同绝缘层厚度的试样。 2）如果只有一种绝缘层厚度的试样，只能测得其导热率参考值。这个值仅是近似值， 仅供参考。
激光闪射法是使用脉冲激光照射到试样的一个表面，然后通过红外线测温器监控另一 表面的温度变化情况， 然后计算出试样的热扩散系数和比热容， 最后通过公式计算出热导率。 公式如下： λ = ρ··C ………………………………………（3） 式中 ρ——试样的密度 ——试样的热扩散系数 C——试样的比热容 激光闪射法测试范围很宽，主要适用于均质、不透光的材料。其原理如图 3 所示。
1#
1.60
0.000609
0.000271
2#
2.04
0.000438
0.000335
3#
0.000589
1.02
0.000831
0.000240
4#
0.000321
1.90
0.000504
对于两个不同厚度的试样，作图时直接把两点连成一条直线。对于三个不同厚度的试 样，应当用线性拟合的方法用三个点作出一条直线。线性拟合是指：已知某函数的若干离散 函数值{f1,f2,…,fn}，通过调整该函数中若干待定系数 f(λ1, λ2,…,λ3), 使得该函数与已知点 集的差别(最小二乘意义)最小。如果待定函数是线性，就叫线性拟合或者线性回归。 在用三个试样测试时，各点与线性拟合的直线十分靠近，这说明数据偏差较小。如果 各点与直线分散越远，则数据越不准确。在表 1 中，3#和 4#试样的曲线很理想，测试结果 较为准确。 有时也会遇到各点偏离线性拟合直线较远的情况，这时应检讨测试过程是否存在不恰
当之处，并最好重新测量试样厚度，再复测热导率和热阻。 3.3.2 金属基板测试结果： 金属基板是绝缘材料、金属基材、铜箔压合到一起的整体。但由于金属基材和铜箔的 热导率相比绝缘材料来说非常大（铜的热导率约为 401，铝的约为 237，绝缘材料约为 1.0～ 2.5 左右，单位 W/mK） ，所以金属基材和铜箔的热阻可以忽略不计。因此金属基板整体导热 性能的好坏主要取决于绝缘材料。 金属基板通常没有绝缘层是同种材料不同厚度的样品，所以无法通过作图求斜率法计 算其热导率。所以只能测试出其热阻，也可以用公式 2 的方法粗略计算出其热导率参考值。 这个参考值有时会偏差非常大， 所以一般不推荐这样计算。 以下列举几个金属基板热导率和 热阻的测试结果，见表 2。 表 2. 样品编号 1# 2# 3# 绝缘层厚度 （mm） 0.075 0.075 0.1 总热阻 （m2K/W） 0.000095 0.000076 0.000106 接触热阻 （m2K/W） 0.000039 0.000039 0.000042 试样热阻 （m2K/W） 0.000056 0.000037 0.000064 热导率参考值 （W/mK） 1.34 2.03 1.56
试样上表面的导 热硅脂，未溢出 过多至侧壁
试样下表面的导 热硅脂，未溢出 过多至侧壁
图 5.试样加压后导热硅脂溢出量示意图 3.2.2 压力设定： 测试过程中设备热极和冷极会夹紧试样， 加载的压力会直接影响到接触热阻的大小。 不 同仪器对压力的控制方式可能不同。有些仪器是以压强（Pa 或 psi）的方式来控制压力，又 有些仪器是直接用力的单位 N 来控制压力。华测检测推荐金属基板和绝缘材料测试时使用 压力为 200N，约合 40psi。 3.2.3 冷、热极重合度（同心度） ： 热导率或热阻测试时， 实验设备的冷极和热极必须平行， 而且要求它们夹在试样表面上 的位置必须是重合的，不能错位。有些导热系数测试仪有一极是可活动的，有时因设备放置 不平或是活动端摇动后复位不彻底等原因会导致冷热两极出现错位的情况， 如图 6 所示， 这 时的测试结果可能就会不太准确。所以每次测试前都应检查冷、热极重合度。
4.1 测试设备及条件
4.1.1 设备参数： 名称：闪光法导热分析仪 型号：LFA-447 温度范围：室温～200℃ 使用红外检测器，进行非接触式的样品表面温升信号测试 热扩散系数范围：0.01～1000 mm2/s 导热系数范围：0.1～2000 W/mK 样品直径：12.7± 0.1mm 样品厚度：1～3mm 仪器照片：见图 7
图 7. LFA-447 型闪光法导热分析仪照片
4.1.2 测试条件： 1）为了促使激光被试样尽可能多的吸收，测试前须在试样两表面喷上一层石墨。 2）本方法需用到试样密度来计算热导率。
4.2 测试结果及金属基板可用性介绍
4.2.1 绝缘材料测试结果： 由于绝缘材料是单种均质材料， 比较适合使用本方法进行测试。 热导率测试结果见表 3。 注：稳态热流法为用三种厚度试样作图法求得，激光闪射法为用单个试样测得。 表3 样品编号 1# 2# 3# 稳态热流法测试结果（W/mK） 1.5985 2.2034 2.0466 激光闪射法测试结果（W/mK） 1.599 2.095 2.023
金属基板用激光闪射法测试出来结果差异非常大， 远远超出了可接受的范围。 由于金属 基板是三种材料压合在一起的整体，并非均质材料，所以计算时用到的密度很难界定。以上 测试结果是用试样质量除以体积折算出的理想均质材料的密度。 如果只取绝缘材料的密度用 来计算，热导率值仍然远远超出了可接受范围。另外，这种三层物质叠加而成的整体，热扩 散系数和比热容也会与均质材料有很大的不同， 这也直接影响到了热导率的测试结果。 所以， 金属基板并不适合用激光闪射法测试热导率。
激光闪射法测试结果和稳态热流法测试结果比较接近， 准确性较好。 且激光法只要单个 试样即可测出热导率值。 4.2.2 金属基板测试结果： 金属基板用激光闪射法和稳态热流法比对试验结果见表 4。注：稳态热流法为用单个试 样 d/R 求得参考值， 激光闪射法也是用单个试样测得。 并且用金属基板的整体密度和绝缘材 料密度分别进行了计算。 表4 样品编号 1# 2# 稳态热流法测试结果（W/mK） 1.83 1.70 激光闪射法测试结果（W/mK） 40.325 38.422