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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35μm~280μm；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二、热导率测试方法简介2.1稳态热流法测试原理（ASTM D5470）简介稳态热流法是美国材料测试协会制定的热导率测试标准方法（ASTM D5470）稳态热流法是基于测试厚度均匀试样的两平行等温界面中的理想热传导性能在试样两面间施加不同的温度，使得试样上下两面间形成温度梯度，促使热流量全部垂直穿过试样并且没有侧面的热扩散本方法测试原理如图1所示图1.稳态热流法原理图在实验时，通过测量试样的面积（A）、穿过试样的热流量（Q）、试样的热面温度（TH）和试样的冷面温度（TC）即可按公式（1）计算出试样的热阻R = ·（TH－TC）……………………………………（1） 将不同厚度的试样和其对应的热阻在坐标系中作图，连接各点的直线的斜率的倒数就是热导率（λ）如图2所示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 =……………………………………………（2）2.2激光闪射法测试原理（ASTM E1461）简介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·a·C ………………………………………（3）式中 ρ——试样的密度a——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所示图3.激光闪射法原理图三、稳态热流法（ASTM D5470）实际应用介绍3.1测试设备及条件3.1.1设备参数：名称：导热系数测试仪型号：DRL-III型热极控制温度：室温～99.99℃冷极控制温度：0～99.99℃热导率测试范围：0.05～45W/mK热阻测试范围：0.05～0.000005m2K/W压力测量范围：0～1000N位移测量范围：0～30mm试样尺寸：直径≤30mm 厚度0.02～20mm仪器照片：见图4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所示试样下表面的导热硅脂，未溢出过多至侧壁试样上表面的导热硅脂，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40psi3.2.3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1#0.0003401.600.0006092#0.0002712.040.0004383#0.0003351.020.0005890.0008314#0.0002401.900.0003210.000504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.样品编号绝缘层厚度（mm）总热阻（m2K/W）接触热阻（m2K/W）试样热阻（m2K/W）热导率参考值（W/mK）1#0.0750.0000950.0000390.0000561.342#0.0750.0000760.0000390.0000372.033#0.10.0001060.0000420.0000641.56金属基板通常是用单个试样来测试，其热阻值比较准确，但热导率值因为计算方法的原因无法保证其准确性，所以仅供参考。

另外也需注意的是，有时热导率参考值也会非常离谱，出奇的大或小，这时则应慎重将其作为参考最好的验证办法还是找到单独的绝缘材料重新测试四、激光闪射法（ASTM D1461）在金属基板热导率测试中的可用性介绍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样品编号稳态热流法测试结果（W/mK）激光闪射法测试结果（W/mK）1#1.59851.5992#2.20342.0953#2.04662.023 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样品编号稳态热流法测试结果（W/mK）激光闪射法测试结果（W/mK）1#1.8340.3252#1.7038.422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。