双热流计稳态法材料导热性能测试装置与分析

　　引　　言

　　聚合物材料,由于其独特的综合性能:重量轻、价格低、容易加工制造等,被广泛应用于电气和电子工业[1]。作为微电子封装和基板材料,其历史最早可以追溯到100多年以前Baekelamd发明的用棉织物或纤维纸浸入酚醛树脂制作电子绝缘和包封材料[2]。近年来随着集成电路封装密度的提高,发热量升高,电路工作温度不断上升,造成元器件的失效率增加,因此,对传统聚合物基板材料性能提出了更高要求。研究和开发导热性能优良,热膨胀系数与芯片有良好匹配的封装材料成为焦点[3]。热和由于温度变化所衍生的应力与应变一直是微电子电路失效的重要影响因素,原因是微电子封装结构由多种不同的材料所组成,除了一般力学性能、导热系数等不同外,彼此之间的热膨胀系数也有很大的差异,在升温/降温的过程中,热膨胀系　　数的差异所产生的热应力和热应变破坏往往是封装结构体破坏的主要原因。要提高电子产品的可靠性,就必须使热量的产生达到最小程度或使所产生的热量能够快速有效地释放出去[4]。了解和测试微电子封装材料的导热性能是实现上述目标的最直接和最有效的方法。

　　目前材料导热性能测试方法有稳态法和瞬态法[5]两种。具体根据不同的物理模型又衍生出很多测试方法[6-8]。稳态平板法是测量保温材料导热系数的经典方法,具有试样制作方便、原理清晰,可准确、直接地获得导热系数绝对值等优点,并适于较宽温度范围,因而得到广泛的应用[9-10]。然而经典稳态法存在测量时间长、热流难于准确测试等问题。非稳态测量法是最近几十年内开发出的导热系数测量方法,多用于研究高导热系数材料,或在高温条件下进行测量。在瞬态法中,测量时样品的温度分布随时间变化,一般通过测量这种温度的变化来推算导热系数[11-12]。瞬态法的特点是测量时间短、精确性高、对环境要求低,但受测量方法的限制,多用于比热容基本趋于常数的中、高温区导热系数的测量。

　　双热流计稳态法最早是用于测量界面接触热阻和薄膜热阻的一种实验方法[13-14],其理论依据是多层平板一维稳态热传导过程。2006年,美国材料与试验协会(ASTM)将该方法作为测量热界面材料导热性能的标准方法[15]。然而上述实验方法和标准在实验装置、实验材料和数据处理等方面存在很大差异和不确定性,界面热阻也往往包含在实验结果当中。本文在分析多层平板一维稳态热传导过程的传热学原理的基础上,确定了双热流计结构一维稳态热传导的物理模型和实现一维稳态热传导的技术条件,设计制作了一套可用于材料导热性能测试的双热流计实验装置。采用C++编制了可运行于Windows环境下的测试和数据处理软件,采用导热系数已知的3组试样:聚苯乙烯、石英玻璃、45钢样品在所研制的实验装置上进行了技术验　　证,并对测试过程和结果进行了分析讨论。