ASTM D5470方法測試金屬基覆銅板導(dǎo)熱系數(shù)的影響因素

劉旭亮 楊 單 陳毅龍 丘威平

（1.景旺電子科技（龍川）有限公司，廣東 河源 517373；2.廣東省金屬基印制電路板工程技術(shù)研究開發(fā)中心，廣東 河源 517373）

0 引言

散熱是微電子設(shè)計(jì)師經(jīng)常面臨的最大挑戰(zhàn)之一，隨著印制電路板（printed circuit board，PCB）向高密度、多層化方向不斷發(fā)展，元器件載體的PCB 散熱能力更加關(guān)鍵。尤其是在LED 基板、新型電源模塊等領(lǐng)域，導(dǎo)熱型金屬基覆銅板是解決電子元器件熱量散失問題的關(guān)鍵，其核心功能是在保留絕緣性能的基礎(chǔ)上，提高樹脂復(fù)合層的導(dǎo)熱能力［1］。

導(dǎo)熱系數(shù)是表征材料散熱能力大小的物理量之一，材料的導(dǎo)熱系數(shù)不僅與材料的物質(zhì)種類有關(guān)，而且與其微觀結(jié)構(gòu)、填料含量等密切相關(guān)。在科學(xué)實(shí)驗(yàn)和工程設(shè)計(jì)中，所用材料的導(dǎo)熱系數(shù)均需用實(shí)驗(yàn)的方法精確測定，測定方法目前已有多種，且分別有不同的適用領(lǐng)域、測量范圍、精度、準(zhǔn)確度、試樣尺寸要求等。不同方法對同一試樣的測量結(jié)果可能會有較大的差別，因此選擇合適的測試方法尤為重要。

本文主要探討ASTM D5470 穩(wěn)態(tài)熱流法的測試原理，以及其在金屬基覆銅板材料測試應(yīng)用中的影響因素。

1 ASTM D5470標(biāo)準(zhǔn)及試驗(yàn)方法

1.1 ASTM-D5470標(biāo)準(zhǔn)概述

目前導(dǎo)熱系數(shù)的測定方法分為穩(wěn)態(tài)法和非穩(wěn)態(tài)法2 大類，各自具有不同的測試原理。在導(dǎo)熱硅膠及金屬基板行業(yè)中，常見的測試方法有穩(wěn)態(tài)熱板法（參照標(biāo)準(zhǔn)：ASTM-D5470）和瞬態(tài)平面熱源法（參照標(biāo)準(zhǔn)：ISO 22007-2）。ASTM-D5470即熱流計(jì)法，又稱穩(wěn)態(tài)熱流法，源于美國材料與試驗(yàn)協(xié)會（American Society for Testing and Materials，ASTM），標(biāo)準(zhǔn)包括對熱阻抗測試及表觀導(dǎo)熱系數(shù)的計(jì)算，主要用于測試薄型導(dǎo)熱固態(tài)絕緣材料熱傳輸特性。

該標(biāo)準(zhǔn)基于理想化的熱條件，將給定厚度的測試試樣置于兩冷熱平板表面之間，熱梯度通過接觸面的溫度差施加在試樣上，使熱流通過試樣，熱流垂直且均勻地穿過測試表面，同時(shí)確保無橫向熱傳輸［2］。

1.2 ASTM-D5470測試原理

ASTM-D5470 標(biāo)準(zhǔn)用于測試處于穩(wěn)態(tài)的電絕緣材料的熱阻抗。先測試不同厚度試樣的熱阻抗，根據(jù)熱阻抗與試樣厚度的關(guān)系，由擬合直線的斜率得到與試樣厚度無關(guān)的導(dǎo)熱系數(shù)，在厚度為零時(shí)，熱阻抗為兩接觸熱阻抗之和。這是該方法與使用其他試樣幾何因數(shù)（如面積、厚度等）直接求取材料導(dǎo)熱系數(shù)的穩(wěn)態(tài)熱流法之間最大的區(qū)別。

1.3 試驗(yàn)儀器及操作步驟

（1）試驗(yàn)儀器：臺灣瑞領(lǐng)-LW-9389 界面材料熱阻抗及熱傳導(dǎo)系數(shù)量測儀。

（2）測試模塊尺寸：25.4 mm×25.4 mm。

（3）試驗(yàn)方法：ASTM-D5470。

（4）測試環(huán)境：溫度20～26 ℃，相對濕度RH50%～60%。

（5）主要輸入?yún)?shù)：試樣各層厚度，金屬基熱阻抗，導(dǎo)熱膏熱阻抗，熱端溫度，測試壓力，測試時(shí)間或結(jié)束條件。

（6）試驗(yàn)步驟：制樣（取樣打磨和測試厚度）→開機(jī)（參數(shù)設(shè)置）→涂抹導(dǎo)熱膏→試樣放置→開始測試→測試結(jié)束（生成報(bào)告）→清潔測試模塊→關(guān)機(jī)。

2 測試影響因素

2.1 測試壓力和時(shí)間對試樣導(dǎo)熱系數(shù)測試的影響

2.1.1 測試壓力對試樣導(dǎo)熱系數(shù)測試的影響

試樣與測試界面之間存在界面接觸熱阻抗，接觸熱阻抗在很大程度上受表面特性和施加在試樣上的壓力影響，根據(jù)材料特性不同，需要足夠大的壓力排除界面多余的導(dǎo)熱膏及空氣，使界面接觸熱阻抗最小化，但壓力過大時(shí)，會損壞試樣或儀器模塊。根據(jù)ASTM-D5470標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合如圖1所示的測試數(shù)據(jù)展開分析，針對較軟或者附著低黏度導(dǎo)熱膏的平整試樣，壓力低至0.69 MPa（100 psi）；針對較硬或者附著高黏度導(dǎo)熱膏的非平整試樣，壓力高至3.4 MPa（500 psi）。

圖1 不同材料類型和壓力下的熱阻抗測試結(jié)果

2.1.2 測試時(shí)間對試樣導(dǎo)熱系數(shù)測試的影響

ASTM-D5470 穩(wěn)態(tài)熱流法通過上下接觸界面熱流傳遞一定時(shí)間，穩(wěn)定平衡后再判定測試結(jié)束，并得到結(jié)果，如測試時(shí)間精準(zhǔn)可獲得更準(zhǔn)確的結(jié)果。根據(jù)ASTM-D5470標(biāo)準(zhǔn)介紹，結(jié)合設(shè)備廠商所提供參考資料說明書，建議測試時(shí)間為20～30 min。通常試樣測試時(shí)間為20 min時(shí)，基本可達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，時(shí)間過長也會影響測試效率。

另外可選擇快速收斂模式（測試前設(shè)定好曲線平衡收斂度）作為測試結(jié)束條件。通常金屬基覆銅板測試模式的結(jié)束條件為：曲線收斂度或平衡指數(shù)（CV）<0.2%或溫度不確定度（T-STD）<0.02 ℃，達(dá)到該設(shè)定的曲線收斂標(biāo)準(zhǔn)后，儀器可自動(dòng)結(jié)束測試。

2.2 導(dǎo)熱膏熱阻抗測量方法對試樣導(dǎo)熱系數(shù)測試的影響

對于ASTM D5470 方法，導(dǎo)熱膏的熱阻抗大小及準(zhǔn)確性是影響測量精度的關(guān)鍵因素之一，對金屬基覆銅板的測試結(jié)果影響很大。

目前業(yè)內(nèi)測量導(dǎo)熱膏熱阻抗的方法主要有以下2 種：① 用設(shè)備測量單層導(dǎo)熱膏的熱阻抗，直接用于輸入后續(xù)試樣測試的導(dǎo)熱膏熱阻抗；② 用正常試樣測試流程測量70 μm 厚度銅箔的整體熱阻抗，然后用其1/2的值作為試樣測試的導(dǎo)熱膏熱阻抗輸入。本實(shí)驗(yàn)主要驗(yàn)證這2 種方法的差異，并分析結(jié)果。

2.2.1 測試方案

（1）目的：對比不同方法測試導(dǎo)熱膏熱阻抗的結(jié)果和偏差。

（2）導(dǎo)熱膏：導(dǎo)熱系數(shù)1.0 W/（m·K）的導(dǎo)熱膏。

（3）測試試樣：75 μm 銅箔，25.4 mm×25.4 mm。

2.2.2 測試結(jié)果及分析

測試結(jié)果見表1。理論上來說，2 種測試方案得出的結(jié)果均正確，但從表1可知，方案1測得的單層導(dǎo)熱膏熱阻抗更大。原因是方案2比方案1更符合金屬基覆銅板試樣的實(shí)際測試情況，方案2可盡量減少測試方法偏差，使結(jié)果更準(zhǔn)確，因此一般情況下，采用方案2 測得的導(dǎo)熱膏熱阻抗作為試樣測試參數(shù)輸入。

表1 不同方法測量導(dǎo)熱膏熱阻抗的結(jié)果

2.3 導(dǎo)熱膏特性對試樣導(dǎo)熱系數(shù)測試的影響

導(dǎo)熱膏的作用是填充試樣兩表面與冷熱兩極接觸界面間的空隙，排出空氣，使接觸更加嚴(yán)密，降低接觸熱阻抗。目前市面上各種型號、各種導(dǎo)熱系數(shù)和黏度的導(dǎo)熱膏多樣，本實(shí)驗(yàn)選取3 款不同導(dǎo)熱系數(shù)和不同黏度的導(dǎo)熱膏測試對比，探討導(dǎo)熱膏特性對試樣導(dǎo)熱系數(shù)測試的影響。

2.3.1 測試方案

（1）目的：用不同導(dǎo)熱膏測試同一試樣的熱阻抗和導(dǎo)熱系數(shù)，分析導(dǎo)熱膏特性對試樣測試結(jié)果的影響。

（2）導(dǎo)熱膏型號：A，標(biāo)稱導(dǎo)熱系數(shù)1.2 W/（m·K）；B，標(biāo)稱導(dǎo)熱系數(shù)1.0 W/（m·K）；C，標(biāo)稱導(dǎo)熱系數(shù)3 W/（m·K）。

（3）測試試樣：35.0 μm 銅箔，0.8 mm 鋁板，66.0 μm導(dǎo)熱絕緣層。

（4）測試步驟：測70 μm銅箔+導(dǎo)熱膏熱阻抗→測試樣熱阻抗和導(dǎo)熱系數(shù)。

2.3.2 測試結(jié)果及分析

通過選用3 款不同導(dǎo)熱系數(shù)、不同黏度的導(dǎo)熱膏測試同一試樣的熱阻抗，測試結(jié)果見表2。

表2 不同導(dǎo)熱膏特性測試同一試樣導(dǎo)熱系數(shù)的結(jié)果

（1）A導(dǎo)熱膏黏度最小。理論上來說，在相同壓力下更利于試樣兩表面與冷熱兩極接觸面間的小空隙填充，以減少接觸熱阻抗。但該導(dǎo)熱膏本身的熱阻抗較大，整體熱阻抗比試樣大數(shù)倍，因此導(dǎo)熱膏本身熱阻抗測量精度會對試樣測試的最終結(jié)果產(chǎn)生極大影響，使最終數(shù)據(jù)出現(xiàn)失真的情況。

（2）C 導(dǎo)熱膏黏度最大，不利于接觸面的小空隙填充，由于其本身熱阻抗很小，所以試樣最終測試結(jié)果偏差不大。但黏度過高不利于操作和冷熱模塊清潔，且因需要加大壓力才能使試樣和模塊面更好地接觸嚴(yán)密，對儀器損傷較大。

（3）B導(dǎo)熱膏的黏度和本身熱阻抗均較適中，操作和清潔方便，且對測試結(jié)果影響不大。因此，選用合適黏度和低熱阻抗的導(dǎo)熱膏B 有利于提升試樣測試結(jié)果準(zhǔn)確性及操作測試效率。

2.4 試樣表面粗糙度對試樣導(dǎo)熱系數(shù)測試的影響

按照ASTM D5470 測試標(biāo)準(zhǔn)，只有當(dāng)界面接觸熱阻抗非常小時(shí)（≤試樣總熱阻抗的1%），才能用d/R 對試樣測試計(jì)算。接觸熱阻抗是影響測量精度的關(guān)鍵因素，試樣表面的粗糙度直接決定了測試時(shí)接觸熱阻抗大小。

本實(shí)驗(yàn)取同一試樣進(jìn)行不同粗糙度處理，測試分析試樣表面粗糙度對試樣導(dǎo)熱系數(shù)測試結(jié)果的影響。

2.4.1 測試方案

（1）目的：用同一試樣測試表面粗糙度對導(dǎo)熱系數(shù)測試結(jié)果的影響。

（2）導(dǎo)熱膏：導(dǎo)熱系數(shù)1.0 W/（m·K）的導(dǎo)熱膏。

（3）測試試樣：35 μm 銅箔，0.8 mm 鋁板，66 μm導(dǎo)熱絕緣層，25.4 mm×25.4 mm；表面狀態(tài)：原始狀態(tài)、600目砂紙打磨、180目砂紙打磨。

（4）測試步驟：測原始態(tài)試樣粗糙度→測試樣導(dǎo)熱系數(shù)→樣板表面打磨→測試樣導(dǎo)熱系數(shù)。

2.4.2 測試結(jié)果及分析

測試結(jié)果見表3。從表3中可知，同一款試樣表面粗糙度增大，會使試樣熱阻抗增大、介質(zhì)層導(dǎo)熱系數(shù)測試減小。這是由于表面越粗糙，導(dǎo)熱膏對小縫隙填充越困難，導(dǎo)熱膏厚度越厚，影響熱流量的傳遞，接觸熱阻抗增大，使得最終得到的熱阻抗結(jié)果偏大。因此在制作金屬基覆銅板試樣時(shí)，應(yīng)盡可能將試樣表面打磨光滑，減小粗糙度，減少界面熱阻抗對測試結(jié)果的影響。

表3 不同表面粗糙度試樣的導(dǎo)熱系數(shù)測試結(jié)果

2.5 試樣形狀和尺寸大小對試樣導(dǎo)熱系數(shù)測試的影響

LW-9389 測試儀器的標(biāo)準(zhǔn)試樣尺寸為25.4 mm×25.4 mm 的正方形，用標(biāo)準(zhǔn)尺寸的試樣測得的結(jié)果最為準(zhǔn)確。但在某些情況下無法按標(biāo)準(zhǔn)尺寸制樣，理論上來說，試樣形狀、尺寸也會影響測試結(jié)果。本實(shí)驗(yàn)通過對比同一型號不同形狀和尺寸試樣的導(dǎo)熱系數(shù)結(jié)果，探討試樣規(guī)格對測試結(jié)果的影響。

2.5.1 測試方案

（1）目的：對比同一型號不同形狀、不同尺寸試樣對導(dǎo)熱系數(shù)測試結(jié)果的影響。

（2）導(dǎo)熱膏：導(dǎo)熱系數(shù)1.0 W/（m·K）的導(dǎo)熱膏。

（3）測試試樣：70.0 μm 銅箔，1.5 mm 鋁板，75.0 μm導(dǎo)熱絕緣層，樣品規(guī)格分別為

a-方形，25.4 mm×25.4 mm，標(biāo)準(zhǔn)試樣；

b-方形，20 mm×20 mm，尺寸<標(biāo)準(zhǔn)試樣；

c-圓形，Φ22.6 mm，尺寸<標(biāo)準(zhǔn)試樣；

d-方形，35.4 mm×35.5 mm，尺寸>標(biāo)準(zhǔn)試樣；

e-圓形，Φ40 mm，尺寸>標(biāo)準(zhǔn)試樣。

2.5.2 測試結(jié)果及分析

由表4的測試結(jié)果可得，當(dāng)樣品尺寸<標(biāo)準(zhǔn)尺寸、面積一樣的情況下，試樣形狀對導(dǎo)熱系數(shù)/熱阻抗測試結(jié)果影響不大，可作為不同試樣的橫向?qū)Ρ取?/p>

表4 不同形狀和尺寸試樣的導(dǎo)熱系數(shù)測試結(jié)果

因軟件默認(rèn)的傳熱面積為標(biāo)準(zhǔn)尺寸面積，如試樣尺寸<標(biāo)準(zhǔn)尺寸，軟件最終測得的數(shù)值為試樣+空氣（試樣面積+空氣面積=模塊面積），熱阻抗偏大，導(dǎo)熱系數(shù)偏小，因此該設(shè)備不適合小尺寸試樣的測量。如試樣尺寸>標(biāo)準(zhǔn)尺寸，在尺寸超出不多、多出區(qū)域熱散失較小的情況下，測量值與標(biāo)準(zhǔn)尺寸樣品基本一致。

3 結(jié)語

通過對測試參數(shù)、試樣和導(dǎo)熱膏等方面進(jìn)行測試對比及分析，總結(jié)了試樣測試過程中的測試壓力、測試時(shí)間、導(dǎo)熱膏熱阻抗測試方法、導(dǎo)熱膏特性、試樣表面粗糙度和試樣形狀尺寸等對金屬基覆銅板導(dǎo)熱系數(shù)測試的影響，為金屬基覆銅板導(dǎo)熱系數(shù)測試規(guī)范提供了數(shù)據(jù)支持，以期為測試人員提供參考。