测量热界面材料的热导率

可以采用不同的方法来测量热界面材料的热导率，例如 C-Therm 公司的改进型瞬态平面热源法（MTPS）和瞬态平面热源法（TPS）。在这种情况下，C-Therm 公司的 Trident 仪器是理想之选，因为它能在一台仪器中同时实现这两种方法。

图1. C-Therm 公司的Trident热导率仪采用了三种热导率测量方法，根据热界面材料（TIM）样品类型的不同，可实现更高的通用性

MTPS

C-Therm 公司的 MTPS 符合 ASTM D7984 标准，在热界面材料（TIMs）方面具备诸多独特功能。MTPS 能够在很宽的温度范围（-50℃ 至 200℃）内对固体、液体、粉末和膏体进行测试，适用于多种不同的热界面材料，用途广泛。它还可配备压缩测试附件（CTA），以便在典型负载条件下进行测试。

TPS

Flex TPS 方法采用双面传感器，通过一次测量即可同时测定材料的热导率、热扩散率和比热容，符合 ISO 22007 - 2 标准。该技术为用户提供了最大的灵活性，使其能够对实验参数进行控制，并且无需使用任何接触剂。不过，建议经验较为丰富的用户使用此方法。

特殊考虑 - 添加剂

测试热界面材料（TIMs）时需要考虑的另一个方面是，许多热界面材料在基础材料中添加了填充材料，以提高热性能。填充量和分散性是需要优化的重要因素，以确保最终产品不会出现 “热点”，并能均匀散发热量。由于微热板热导仪（MTPS）的有效面积相对较小（直径小于 18 毫米），它可用于对材料进行热成像，以确保分散均匀。此外，由于测试时间短，MTPS 可用于在线或实时过程监测应用。通过快速获取热导率和热扩散系数值，MTPS 可用于热界面材料（TIMs）涂覆的质量控制。

图2. 薄膜介电材料在电子行业中越来越常见，因此需要进行精确的热特性分析

图3. 许多热界面材料（TIMs）使用填充材料来提高其传热性能；然而，这些颗粒的不均匀分布会极大地改变热性能。多热物理系统（MTPS）的热成像图显示了分布不佳对性能的影响

图4. 热界面材料（TIMs）长期以来一直应用于小型电子设备，从中央处理器（CPUs）到手机电池。然而，随着电动汽车电池对（热界面材料）需求量的增大，颗粒沉降正成为一个大问题

图5. 大量填充型热界面材料（TIMs）最终会出现沉降现象，即填充颗粒会聚集在底部附近，从而导致热性能出现极大差异

图6. MTPS 可用于监测沉降程度以进行质量控制；随着时间推移，当填料向传感器沉降时，热导率会急剧增加

TIM 基础知识

随着电子产品体积越来越小、性能越来越强大，热管理方面的挑战也愈发严峻，因此有必要探索电子设备的冷却和散热方案。热界面材料（TIMs）是电子产品中常用的一种材料，用于将热量从发热组件传递到散热硬件。热界面材料旨在填充起隔热作用的气隙，以改善热传递、降低热阻，从而实现电子设备整体更好的散热效果。

图7. 两个表面（A，顶部；B，底部）接触时的示意图，其中左侧为界面无热界面材料时、右侧为界面有热界面材料时的热流穿过情况。

散热对于电动汽车（EV）也至关重要，尤其是对于电子设备和电池周围的热管理系统（TMS）而言。如果没有适当的热管理，锂离子电池在充电或放电过程中可能会过热，而且电池组内还可能出现温度分布不均匀的情况，这将直接影响其最佳性能。因此，同样的原理也适用于此，因为热界面材料（TIM）在热管理系统的有效性方面起着重要作用，通过填充气隙确保热量有效地从关键部件传导出去，并降低热源与散热部件之间的界面热阻。

总之，热界面材料充当辅助热传递的媒介，通常位于发热且对温度敏感的部件与散热器之间。它们有多种形式，包括膏状、油脂状、胶粘剂、灌封化合物、相变材料（PCM）、热间隙垫等等。正确选择热界面材料将取决于多种因素，其中温度条件、材料兼容性以及尺寸 、空间可用性可被视为最重要的因素。然而，在所有情况下，热导率在新型热界面材料的研究与设计中都起着关键作用。寻求性能更优的热界面材料的研究人员会制造出具有高导热系数值的材料，以改善层间的热传递。在此背景下，热导率可用作一个指导性指标，来量化预期的散热性能。因此，为了提高性能并避免热失控，选择一种准确的热特性表征方法至关重要。

案例亮点一

热阻抗与表观热导率

图8. ASTM D5470 标准中的热界面材料（TIM）测试仪示意图，这是一种稳态测试方法，将样品置于热板和冷板之间，以测量热阻和表观热导率

热阻是热电阻和热接触电阻的组合。通常使用上图所示的热界面材料测试仪（ASTM D5470）来测量热阻。利用这些数据可以计算出表观热导率；然而，虽然热阻是一个有用的特性，但表观热导率可能是一个具有误导性的值。热界面材料测试仪需要非常特定的压力要求、温差和样品厚度测量，这使得在具有代表性的条件下获取数据变得困难。此外，由于热界面材料测试仪是一种稳态方法，它报告的是样品的平均表观热导率，这意味着它无法检测到不均匀的特性。这对于非均质热界面材料尤为重要，因为颗粒沉降会导致样品顶部和底部的热导率出现明显差异。如果未检测到这些不均匀的特性，可能会导致性能和安全问题。在此了解更多关于热阻的信息。

案例亮点二

导热且高电绝缘性润滑脂

热界面材料的原理是使用诸如硅油或环氧树脂之类的聚合物基体，并添加诸如陶瓷或金属之类的高导热填料。这项具体研究专注于使用镓合金基填料，因为其具有较高的导热系数（纯净状态下为 39 W/mK），氧化状态下为 13.6 W/mK）。

测试了四种不同的混合物，其液态金属比例分别为 60%、71.4%、77.8% 和 81.8%。下图展示了使用 C-Therm 公司的 MTPS 方法通过实验获得的液态金属复合润滑脂的导热系数值。

图9. 通过实验测量（采用 C-Therm 公司的 MTPS 方法）以及理论计算得出的 LMP 导热硅脂的热导率 [1]

这些数值表明，液态金属的添加显著提高了热界面润滑脂的热导率。

[1] Mei, S., Gao, Y., Deng, Z., and Liu, J. (January 24, 2014). “Thermally Conductive and Highly Electrically Resistive Grease Through Homogeneously Dispersing Liquid Metal Droplets Inside Methyl Silicone Oil.” ASME. J. Electron. Packag. March 2014; 136(1): 011009.

案例亮点三

导热膏

导热膏/润滑脂是一种长期使用的传统热界面材料（TIM），常用于许多电子设备中。与任何热界面材料一样，它们作为媒介辅助热传递，通常位于发热且对温度敏感的组件与散热器之间。通过消除空隙空间（空气），热界面材料为热流提供了更好的路径，从而降低了系统的整体热负荷。

对于这些非固体材料，使用更传统的测量技术来测量其热导率可能会很繁琐。以下数据展示了改良瞬态平面热源（MTPS）技术在测量标准导热润滑脂化合物热导率方面的简便性和准确性。

图10. 使用 MTPS 总共进行了五次测量，并报告了平均值。所有测试均在环境条件下进行。与参考值（0.735 W/mK）相比，MTPS 的测量结果误差在 6% 以内，表明一致性良好

案例亮点四

大体积下的颗粒沉降

随着电动汽车在市场上越来越普及，对热界面材料（TIMs）的需求量急剧增加，特别是双组分（2k）胶粘剂形式的产品。这些材料是电池组热管理所必需的，由于用量大，它们通常从大桶中出料。然而，随着时间的推移，由于重力和分子间作用力的共同作用，热界面材料中的导电填料会开始向桶底沉降。发生这种情况时，根据取样来自桶的顶部还是底部，2k 胶粘剂的性能会有明显差异。这可能会对电动汽车的性能产生不利影响，因为如果所使用的热界面材料的导热系数远低于规格要求，就会出现性能和安全问题。因此，能够监测热界面材料的沉降程度至关重要 — 这可以利用 MTPS 传感器的短测试时间，通过导热系数和热扩散率数值来实现(图 8)。