测量薄陶瓷热扩散率

为了优化功率模块的热管理，必须精确记录所有组件的热特性。然而，到目前为止，确定极薄且热传导性极强的陶瓷基板的热扩散率一直很容易出错。罗杰斯德国有限公司的 Martina Schmirler 领导的团队研究了各种样品制备和测量方法，并找到了一种最佳方法。

只有拥有最佳的热设计才能确保功率模块在整个使用寿命期间可靠地运行在所有工况下。为此，必须尽可能精确地测定所有组件的热性能。其中一个重要参数是作为载板的活性金属钎焊陶瓷基板 (AMB) 的热导率，这需要一种可靠的陶瓷热扩散率测量方法。热扩散率一般采用激光闪光或闪光法 (LFA) 快速无损地测定。在这一过程中，短光或激光闪光会加热样品的一侧，而红外传感器会测量另一侧的温升。热扩散率可通过信号的半上升时间和样品厚度计算得出。

超薄、高导热材料的测量对样品制备和所采用的测量装置有特殊要求。由罗杰斯德国有限公司的 Martina Schmirler 领导的团队与弗劳恩霍夫陶瓷技术和系统研究所Fraunhofer IKTS 的同事合作，目前已对使用 0.32 毫米厚度Si3N4 陶瓷测定热扩散率的常用测量方法进行了仔细研究。就断裂韧性和热传导率而言，Si3N4是各种功率模块的首选材料。

 

浸渍优于喷涂

为了使测量结果有意义，所制备的样品不得让光线穿过，且应具有充分的吸收和发射特性。常规制备方法是先通过溅射法喷涂一层不透明的金，然后再喷涂导热石墨。但是，样品越薄，涂层类型和质量对测量结果的影响就越大。溅射工艺的不确定性很大，手工喷涂石墨在层厚和均匀性方面的重复性也很差。

因此，Schmirler和她的团队还研究了两种通过自动浸涂进行制备的方法。这两种方法均是利用Ossian的自动浸渍涂布机将样品浸渍入石墨-异丙醇溶液中。每种方法均需从氮化硅板上切下四个10X10mm²大小的陶瓷片，然后利用常规方法制备成四个样品。取四个样品先喷涂金层然后自动浸入石墨溶液中，另取四个样品只浸涂石墨。然后，Schmirler和她的团队利用Netzsch Gerätebau公司两种不同的LFA测量装置测量了所有样品的热扩散率。

用标准方法制备的样品显示了最低值（ 74 W/mK@ 25° C），而浸在石墨中的镀金基底则达到了最高的热扩散率（82 W/mK@ 25° C）。另一方面，仅浸入石墨的陶瓷板的结果则介于两个极端之间（78 W/mK@ 25° C）。

因此，对于超薄、高导热材料的测量，Martina Schmirler和她的团队推荐使用新的浸涂法涂抹石墨。这种方法消除了人工影响，具有最佳的再现性，并可对石墨沉积量进行微调。

 

浸涂石墨的过程

 

脉冲宽度是决定性因素

样品的热扩散率越高，LFA测量中信号上升就越急剧。因此，要想可靠地测量热导性能良好的薄材料，光脉冲必须非常短，这样当光脉冲关闭时，对面的红外传感器只能测量到温度的升高。

Martina Schmirler的团队在研究时采用了此领域的领先制造商——Netzsch-Gerätebau公司的不同LFA模型，且它们的最小脉冲宽度各不相同。其中LFA 427为0.1ms，LFA 447为0.06ms，LFA 467 Hyper-Flash®为0.01ms。在溅射有金层并浸涂了薄石墨层的样品上， LFA 427测定的热扩散率为70 W/mK@25° C，LFA 447测定的结果为75 W/mK@25° C，LFA 467 Hyper-Flash®的测定结果为80 W/mK@25° C。

 

各 LFA 型号在 25 - 150°C 温度范围内的测量值

 

罗杰斯德国团队进行的研究清楚表明并不是所有的LFA装置均适用于测量高导热薄陶瓷基板上的热扩散率。脉冲宽度越小，样品温度上升则越快。因此，对高导热薄陶瓷进行测量时就必须使用数据采集速度快、脉冲宽度足够小的测量设备。

 

来源：罗杰斯公司

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