为什么很多导热材料厂商钟情于ASTM D5470标准测试导热系数？
发布时间：2019-06-15 16:20:13来源：转载：冰河传热浏览次数： 4580
业内人士有时会遇到这么一种情况，不同厂家测试同一款导热界面材料的导热系数，所得结果相差较大，这是为什么呢？
材料热物性的测试跟生产管理体系类似，想要获取精准可靠的测试数据，同样要注意“人、机器、物料、方法、环境”等各个要素。采用ASTM D5470标准的测量设备测试材料的热阻和导热系数时，一个关键问题是如何保证测量结果的准确性和重现性。
下面将简要介绍影响ASTM D5470测量精度的常见因素
（1）漏热和热流测试误差
关于热流的计算，主要有两种方法。其中一种是选用已知导热系数的高导热材料（如纯铜）作为热流计来测试流经试样上的热流。所以热流的测量准确性取决于充当热流传感器（热流计）的高导热材料的导热系数的准确性。此时的ASTM D5470是一种相对法。
另一种是利用加热器的电气输入参数（电压、电流）直接计算。由于隔热保温材料的性能限制，总有一小部分热量会泄露。这部分漏热并未对TIMs（Thermal Interface Materials）上下表面的温度差有贡献，但却作为分母参与了热阻计算，导致热阻计算值偏低。为了获取准确的测量结果，需对这部分漏热进行修正，或采用特殊的措施实现绝热边界条件。
关于热源漏热引起的误差，可采用保护热板法中用到的补偿加热的思路，作为补偿热源漏热的一个有效途径（林唯耕教授在其著作《電子構裝散熱理論與量測實驗之設計 》中有较为详细的介绍）。并且在ASTM D5470标准中也推荐采用这种补偿加热的方式来实现理论上的绝热边界条件，如下图。
以上方式在很多导热系数测试仪器和热分析仪器中都有较为广泛的应用。
（2）压力测试误差
导热系数或热阻测量仪器设计中的一个重要环节就是保持测试过程中所设置的测试压力处于恒定值。精准控制压力的难度在于：在达到稳定状态前，在不同温度下导热柱的膨胀变形量不同，导致压力随之变化。一般较好的压力误差可控制在1psi以内，能满足大多数测试的要求。
（3）温度测量精度
对于标准测试仪器中温度的测量精度要求非常高。对于采用ASTM D5470标准的测量仪器，一般需采用一等精度特殊误差限的热电偶，并进行相应的标定或校准。例如，某些仪器采用铂电阻作为测温元件，测温精度更高，但价格更贵。
（4）导热柱的对准误差
对于具有相同截面尺寸的导热柱，如果对准出现偏差将导致实际接触面积偏小。即使对准偏差只有1%，这在实践中是很难发现的，而这将导致至少存在1%的热阻测试误差。D. R. Thompson等[1]提出上导热柱和下导热柱采用不同的截面尺寸可以消除对准误差。这种设计极大降低了样品对齐的难度，有效提高测试结果的重现性。然而需特别注意的是：不同截面尺寸的导热柱接触时会引入扩散热阻。所以为了降低扩散热阻的影响，上、下导热柱的截面面积不能相差过大。
（5）TIMs厚度测试误差
由于热阻结果与厚度相关，所以厚度测试的精度直接决定着热阻测试精度。常见的TIMs的厚度多在几百微米级别，要求热阻测试仪需要具有在线厚度测试装置，以便实时测试其厚度。
关于电绝缘固体材料的厚度测试方法，可以参考：ASTM D374 Test Methods for Thicknessof Solid Electrical Insulation (Metric).
（6）导热柱端面的粗糙度和平整度
用于夹住TIMs的上、下导热柱端面的表面粗糙度要求至少要小于10um，平面度要小于30um。一般性能指标要求比较高的热阻测试仪器的端面采用特殊工艺进行抛光，所以粗糙度能控制在几微米，甚至0.5微米以内。为什么导热柱的表面特性会影响导热测试结果的测量精度？这是因为大部分待测TIMs材料的厚度仅为数百微米级别，而对于导热硅脂来说，实际涂布厚度将更小，厚度一般只有50~100um。
为什么导热界面材料的热阻和导热系数的测试多选择ASTM D5470作为标准？
测试的标准很多，为什么一定要选择ASTM D5470？其实并非要选择它。例如对于板状、块状甚至流动状态的材料的导热系数完全可采用HOT DISK方法进行测试，而且这种测试方法是绝对法，从理论上说其测试精度要高于ASTM D5470的相对法，实际的测试精度也如此。
但是，为什么国内外大多数导热材料厂商还是钟情于ASTM D5470？
这有一定的历史传承因素，因为一种标准一旦在某个细分领域中得到大家的认可，别的测试方法就再难有取代的机会，这就是所谓的行业惯性。
另一方面，尽管ASTM D5470测试精度不够高，但已能满足大多数的工程应用。更重要的是这种标准拥有其他测试标准难以媲美的优点：经过简单改造，可以获得与实际工况接近的条件，实现准原位测试（In-situ Test），满足不同压力、不同温度、湿度和温度老化全过程中的热性能测量。
值得一提的是，不同测试方法（如ASTM D5470、HOT DISK法、激光闪射法ASTM E1461）一般不能进行对比测量。这主要是由于不同测试方法所采用的测试模型和边界条件不一样。
材料热物性的测试跟生产管理体系类似，想要获取精准可靠的测试数据，同样要注意“人、机器、物料、方法、环境”等各个要素。采用ASTM D5470标准的测量设备测试材料的热阻和导热系数时，一个关键问题是如何保证测量结果的准确性和重现性。
下面将简要介绍影响ASTM D5470测量精度的常见因素
（1）漏热和热流测试误差
关于热流的计算，主要有两种方法。其中一种是选用已知导热系数的高导热材料（如纯铜）作为热流计来测试流经试样上的热流。所以热流的测量准确性取决于充当热流传感器（热流计）的高导热材料的导热系数的准确性。此时的ASTM D5470是一种相对法。
另一种是利用加热器的电气输入参数（电压、电流）直接计算。由于隔热保温材料的性能限制，总有一小部分热量会泄露。这部分漏热并未对TIMs（Thermal Interface Materials）上下表面的温度差有贡献，但却作为分母参与了热阻计算，导致热阻计算值偏低。为了获取准确的测量结果，需对这部分漏热进行修正，或采用特殊的措施实现绝热边界条件。
关于热源漏热引起的误差，可采用保护热板法中用到的补偿加热的思路，作为补偿热源漏热的一个有效途径（林唯耕教授在其著作《電子構裝散熱理論與量測實驗之設計 》中有较为详细的介绍）。并且在ASTM D5470标准中也推荐采用这种补偿加热的方式来实现理论上的绝热边界条件，如下图。
以上方式在很多导热系数测试仪器和热分析仪器中都有较为广泛的应用。
（2）压力测试误差
导热系数或热阻测量仪器设计中的一个重要环节就是保持测试过程中所设置的测试压力处于恒定值。精准控制压力的难度在于：在达到稳定状态前，在不同温度下导热柱的膨胀变形量不同，导致压力随之变化。一般较好的压力误差可控制在1psi以内，能满足大多数测试的要求。
（3）温度测量精度
对于标准测试仪器中温度的测量精度要求非常高。对于采用ASTM D5470标准的测量仪器，一般需采用一等精度特殊误差限的热电偶，并进行相应的标定或校准。例如，某些仪器采用铂电阻作为测温元件，测温精度更高，但价格更贵。
（4）导热柱的对准误差
对于具有相同截面尺寸的导热柱，如果对准出现偏差将导致实际接触面积偏小。即使对准偏差只有1%，这在实践中是很难发现的，而这将导致至少存在1%的热阻测试误差。D. R. Thompson等[1]提出上导热柱和下导热柱采用不同的截面尺寸可以消除对准误差。这种设计极大降低了样品对齐的难度，有效提高测试结果的重现性。然而需特别注意的是：不同截面尺寸的导热柱接触时会引入扩散热阻。所以为了降低扩散热阻的影响，上、下导热柱的截面面积不能相差过大。
（5）TIMs厚度测试误差
由于热阻结果与厚度相关，所以厚度测试的精度直接决定着热阻测试精度。常见的TIMs的厚度多在几百微米级别，要求热阻测试仪需要具有在线厚度测试装置，以便实时测试其厚度。
关于电绝缘固体材料的厚度测试方法，可以参考：ASTM D374 Test Methods for Thicknessof Solid Electrical Insulation (Metric).
（6）导热柱端面的粗糙度和平整度
用于夹住TIMs的上、下导热柱端面的表面粗糙度要求至少要小于10um，平面度要小于30um。一般性能指标要求比较高的热阻测试仪器的端面采用特殊工艺进行抛光，所以粗糙度能控制在几微米，甚至0.5微米以内。为什么导热柱的表面特性会影响导热测试结果的测量精度？这是因为大部分待测TIMs材料的厚度仅为数百微米级别，而对于导热硅脂来说，实际涂布厚度将更小，厚度一般只有50~100um。
为什么导热界面材料的热阻和导热系数的测试多选择ASTM D5470作为标准？
测试的标准很多，为什么一定要选择ASTM D5470？其实并非要选择它。例如对于板状、块状甚至流动状态的材料的导热系数完全可采用HOT DISK方法进行测试，而且这种测试方法是绝对法，从理论上说其测试精度要高于ASTM D5470的相对法，实际的测试精度也如此。
但是，为什么国内外大多数导热材料厂商还是钟情于ASTM D5470？
这有一定的历史传承因素，因为一种标准一旦在某个细分领域中得到大家的认可，别的测试方法就再难有取代的机会，这就是所谓的行业惯性。
另一方面，尽管ASTM D5470测试精度不够高，但已能满足大多数的工程应用。更重要的是这种标准拥有其他测试标准难以媲美的优点：经过简单改造，可以获得与实际工况接近的条件，实现准原位测试（In-situ Test），满足不同压力、不同温度、湿度和温度老化全过程中的热性能测量。
值得一提的是，不同测试方法（如ASTM D5470、HOT DISK法、激光闪射法ASTM E1461）一般不能进行对比测量。这主要是由于不同测试方法所采用的测试模型和边界条件不一样。
