热界面材料热性能常用测试与考核方法汇总
1. 前言
目前业界普遍认可和使用的热界面材料热性能测试方法有四种：改进的ASTM D5470方法、HOTDISK方法、闪光法和实际导热性能考核法。本文将简要介绍这四种方法在热界面材料热性能测试评价中的具体应用。
2. 改进的ASTM D5470方法
ASTM D5470导热型电绝缘材料热传输性能标准测试方法是一种传统且广泛应用的热界面材料测试方法，适用于以下三类热界面材料：
○ Type 1：在受到应力后显示出无限形变的粘性液体，包括液态混合物，如油脂、胶及相变材料。这些材料不显示出弹性特征，在移除应力后无回复到原始状态的趋势。。
○ Type 2：粘弹性固体，如凝胶和软硬橡胶，形变应力与材料内部的应力平衡，限制了更大的形变。这些材料显示出与材料厚度相关的线性弹性特征。
○ Type 3：微小形变的弹性固体，如陶瓷、金属及某些塑料。
ASTM D5470主要功能在于测量材料的热阻，若试样与热阻仪的接触热阻较小（一般小于1%），可通过测出的热阻及试样厚度直接计算出导热系数。若接触热阻较大，通过一系列试验可精确排除接触热阻，得到等效导热系数。
ASTM D5470方法的测量原理和相应的热阻测定仪如图 2.1所示
图 2.1 ASTM D5470测量原理和相应的热阻测定仪
目前大多数热阻测定仪对ASTM D5470方法进行了改进，主要包括：
○ 调整加载压力：ASTM D5470方法中规定热阻测量过程中的加载压力为100 500psi。就算最小的100psi加载压力也常常超过热界面材料实际工程应用时的加载压力。因此，热阻测定仪一般都把这个加载压力进行了调整，将加载压力精确控制到最小1psi，满足不同工况下的测量需求。
○ 增加在线厚度测量装置：ASTM D5470是一种相对法（或二级方法），这种方法是采用已知导热系数的高导热材料作为热流计来测量流经试样上的热流密度。因此，热流密度的测量准确性首先要取决于热流计材质导热系数的测量准确性。即实时测量试样加载后的厚度。
需注意的是，ASTM D5470是一种相对法，热流密度的测量准确性取决于热流计材质导热系数的测量准确性。
3. HOTDISK方法
HOTDISK方法是一种瞬态平面热源法，，又称为瞬态平面热源法，理论上可以达到很高的测量精度，适用于均质材料，温度范围为-196℃至200℃。该方法已形成国际标准。
如图 3.1所示，HOTDISK探头是一种双螺旋金属薄带的薄片结构，既作为发热源又作为温度探测器。在测试过程中，探头夹持在两个被测试样中间，通过测量探头的电阻变化计算出导热系数。针对不同试样厚度，HOTDISK方法采用三种测试模型：块状模型、薄板模型和薄膜模型。
图 3.1 HotDisk探头
○ 块状试样测试方法：如图 3.2所示，要求HOTDISK探头在通电加热所发出的热量，在整个测试过程中热量（或热波）不能达到试样的边界。适用于导热脂和导热胶类材料，测试时要求试样尺寸较大较厚。
图 3.2 HOTDISK块状试样测试模型
在众多热界面材料中，导热脂和导热胶类热界面材料非常适合采用HOTDISK块状试样测试方法进行导热系数测量，如图 3.3和图 3.4 所示就是采用HOTDISK块状测试方法对导热脂和导热胶片测试时的试样及探头安装形式。
图 3.3 HOTDISK法块状形式测试中的导热脂试样和探头装配形式
图 3.4 HOTDISK法块状形式测试中厚片状导热胶试样和探头装配形式
○ 薄板试样测试方法：适用于薄板或薄片状材料，需用绝热材料压紧试样。如图 3.5所示，测量时先选择两块厚度一致的样品，精确测量样品厚度后，将两块薄板样品分别放置于探头的两边，然后用两块相同材质的绝热隔热材料压紧，使探头与样品之间没有空隙，以保证探头产生的所有热量均为样品所吸收。
图 3.5 HOTDISK方法测试薄板试样时的试样安装方式
薄板样品的直径或边长一般应大于50mm。每片样品的厚度可以从0.2mm至5mm不等，这取决于探头半径。薄板试样测试方法与块状试样测试方法有些类似，主要的区别有两点：
- ·被测薄板试样的外侧要用绝缘低导热材料压紧，使得试样四周的热损失与探测器加热量相比非常小。
- ·在试样中的热流传递主要在薄板试样面内方向上进行，所以HOTDISK薄板测试模型假设试样是无限大平板热传递模型。
○ 薄膜试样测试方法：适用于薄膜材料，需用不锈钢块压紧试样。如图 3.6所示，测量时先选择两片厚度一致的薄膜样品，精确测量薄膜样品厚度后，将两块薄膜样品分别放置于探头的两边，然后用两块相同的不锈钢块压紧，使探头与样品之间没有空隙，以保证探头产生的所有热量均为样品所吸收。
图 3.6 HOTDISK方法测试薄膜试样时的试样安装方式
在进行薄膜试验测试前要进行探头校正，即将探头放置于图 3.6所示的不锈钢压块的两个凸出面之间，然后用样品夹具固定，使探头与不锈钢之间没有空隙，以保证探头产生的所有热量均被不锈钢压块样品所吸收。
4. 闪光法
闪光法适用于较薄试样各个方向上的热扩散系数测量，基于ASTM E1461标准。该方法包括测量试样厚度方向和面内方向的热扩散率。通过测量热扩散系数、比热容和密度数据计算导热系数。
○ 厚度方向热扩散率测量：薄膜材料热扩散率测量原理和薄膜夹具结构如图 4.1所示。使用薄膜夹具，闪光脉冲照射试样前表面，热量沿试样厚度方向传递。
图 4.1 闪光法厚度方向热扩散率测试原理和测量装置结构示意图
○ 面内方向热扩散率测量：薄膜试样夹具结构如图 4.2所示。使用薄膜试样夹具，闪光脉冲照射试样中心，热量沿薄膜面内传递。
图 4.2 闪光法面内方向热扩散率测试薄膜试样夹具结构示意图
闪光法适用于直径范围为12.5～25.4mm、最大厚度为6mm的试样，导热系数测量范围为0.1～2000W/(mK)。
5. 实际导热性能考核法
实际导热性能考核法用于模拟实际工况条件下热界面材料的热性能考核和测试评价，特别是在不同环境压力下和老化过程中的可靠性试验评价。考核试验装置需满足以下参数的稳定性和重复性：
○ 流经试样的热流密度
○ 加载到试样上的压力
○接触表面的平整度和粗糙度
○ 机械测试结构
通过以上装置，可以在各种环境条件下进行热界面材料的考核试验，保证力热条件稳定性。为了满足以上要求，热界面材料热阻性能考核试验装置中对试样的夹持一般采用图 5.1所示的结构形式。
图 5.1 热界面材料热阻性能考核试验装置中试样夹具结构示意图
在图 5.1所示的试样夹具中，采用了两个完全相同的表面镀镍铜块，需要考核的试样夹持在这两铜块中间。加载到被测试样上的压力通过两个弹簧机构进行控制，弹簧机构布置在夹具的两侧。
铜块表面镀镍是为了改善铜块的耐腐蚀性，镀镍后铜块表面粗糙度要小于10μm、平面度要小于30μm。尽管铜块的平行度会代入整体测量误差，但铜块的表面特性则是影响测量精度的重要因素，这是由于很多被考核热界面材料厚度仅为100μm量级，而且导热脂这类材料的实际使用厚度还要更低。
在考核试验过程中，将装配好试样的夹具放入试验考核装置中，由试验装置产生相应的热功率并使热流流经被测试样，如图 5.2所示。
如图 5.2所示的考核试验装置遵循ASTM D5470热阻测量原理和测试模型，在考核试验中流经试样的热流和试样两端的温差保持恒定。
通过以上试样夹具和考核试验装置，可以实现以下目标：
○ 可以在各种环境条件下对热界面材料进行考核试验。
○ 可以测量相同热界面材料在不同考核试验之间的重复性。
○ 可以保持考试试验过程中被测试样的力热条件稳定性。
图 5.2 热界面材料热阻考核试验装置结构示意图
6. 结论
导热系数是热界面材料的关键性能参数，但不同测试方法可能导致结果偏差较大。本文介绍的四种测试方法各有特点和应用范围：
○ ASTM D5470方法：用于不同温度和压力下的热阻测量。
○ HOTDISK方法：用于无压力导热脂和导热胶的导热系数测量。
○ 闪光法：用于无压力薄板和薄膜材料的导热系数测量。
○ 实际导热性能考核法：用于模拟实际装配条件下的可靠性试验。
不同测试方法的测试模型和边界条件不同，难以进行相互对比测试。若需对比，也只能在ASTM D5470方法与实际导热性能考核法之间、HOTDISK方法与闪光法之间进行有限的比较。
