鋁基覆銅板導(dǎo)熱系數(shù)測試方法改進(jìn)分析

任成偉，師劍軍，馬衛(wèi)東，張 勇

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鋁基覆銅板導(dǎo)熱系數(shù)測試方法改進(jìn)分析

任成偉，師劍軍，馬衛(wèi)東，張 勇

（空軍工程大學(xué) 防空反導(dǎo)學(xué)院，陜西 西安 710051）

為方便準(zhǔn)確地測量鋁基覆銅板的導(dǎo)熱系數(shù)，設(shè)計了一種改進(jìn)的導(dǎo)熱系數(shù)測試方法。該方法用樣本試件作為參照，利用兩試件隨環(huán)境變化導(dǎo)熱系數(shù)比值近似不變的原理，求出待測試件的導(dǎo)熱系數(shù)。經(jīng)過理論分析與仿真驗證后，搭建了一種新的鋁基覆銅板導(dǎo)熱系數(shù)測試平臺。實驗結(jié)果顯示，該平臺有效減少了測量誤差，簡化了操作流程，節(jié)約了實驗成本。

鋁基覆銅板；導(dǎo)熱系數(shù)；測試方法；熱阻；熱板；散熱

鋁基覆銅板憑借其高散熱性、耐高溫性等優(yōu)勢逐漸成為電子設(shè)備采用的主流基板[1]，導(dǎo)熱系數(shù)作為表征其導(dǎo)熱性能的物理參數(shù)之一，具有重要的理論意義和使用價值。目前，國內(nèi)外對導(dǎo)熱系數(shù)測試研究不充分，標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一，測試設(shè)備也很匱乏，與鋁基覆銅板的生產(chǎn)量和對其導(dǎo)熱系數(shù)的精度需求嚴(yán)重不匹配[2]。因此，本文根據(jù)鋁基覆銅板的物理特性，針對傳統(tǒng)導(dǎo)熱系數(shù)測試方法存在的不足，提出一種樣本對比法來測量其導(dǎo)熱系數(shù)。該方法用樣本試件作為參照，利用兩試件隨環(huán)境變化導(dǎo)熱系數(shù)比值近似不變的原理，對待測試件的導(dǎo)熱系數(shù)進(jìn)行求解。同時在此測試方法的基礎(chǔ)上，設(shè)計并實現(xiàn)了一套完整的鋁基覆銅板導(dǎo)熱系數(shù)測試平臺。平臺設(shè)計過程中，除測試方法外，在添加尼龍護(hù)套作保溫材料、使用軟件監(jiān)控測試環(huán)境的溫度變化等方面，都具有一定的創(chuàng)新性。實驗發(fā)現(xiàn)，該平臺可有效減少測量誤差，提升測量精度。

1 鋁基覆銅板導(dǎo)熱系數(shù)測試原理

1.1 測試方法的分析與制定

在實際生產(chǎn)實踐中，將測量鋁基覆銅板導(dǎo)熱系數(shù)的方法分為穩(wěn)態(tài)法和瞬態(tài)法兩種[3]，其典型代表分別為熱板法（Hot-Plate）與TPS（Hot-Disk）法。

傳統(tǒng)熱板法見圖1，是基于一維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱模型建立的一種方法，原理簡單，操作方便[4]。但其忽視了輻射散熱、空氣對流散熱等各種形式的熱量耗散，也沒有考慮接觸熱阻帶來的誤差以及熱量測量帶來的誤差。該方法產(chǎn)生的較大測量誤差很難滿足生產(chǎn)實踐的精度需求，因此，許多地方有待改進(jìn)。

TPS（Hot-Disk）法見圖2，即瞬態(tài)平面熱源法，是一種利用薄膜探針測量物體導(dǎo)熱系數(shù)的方法[5]，具有測試速度快、重復(fù)性好、精度較高等特點。然而，相應(yīng)的測試儀器價格昂貴，普及范圍有限。

針對傳統(tǒng)測試方法的不足，本文提出一種樣本對比法。簡單敘述如下：選取一種導(dǎo)熱系數(shù)容易測量的材料作為樣本試件，與待測鋁基覆銅板分置雙面電加熱片兩邊，中間與兩端分別放置均熱板。在裝置側(cè)面包裹保溫材料，使兩試件符合一維導(dǎo)熱假設(shè)。在每塊均熱板上布置兩個溫度傳感器，并盡量保證上下對稱，以間接測出兩塊樣本試件上下表面溫差。由于樣本試件的導(dǎo)熱系數(shù)已知，兩者導(dǎo)熱系數(shù)的比值亦可由試件溫差和厚度兩個量來求出，故可得出被測鋁基覆銅板的導(dǎo)熱系數(shù)。

該參比法借鑒TPS法的思想，將傳統(tǒng)熱板法予以改進(jìn)。與傳統(tǒng)熱板法相比，無需測量熱流，避免了輻射散熱帶來的誤差；同時，邊緣散熱得到了很好的控制；再次，由于同一環(huán)境下導(dǎo)熱系數(shù)比值一定，可以將諸如裝置設(shè)備、溫度傳感器、環(huán)境等因素造成的誤差大幅度降低。與TPS法相比，成本較低，能更好地被用戶所接受。

1.2 原理分析及數(shù)理模型

具體的測試原理示意如圖3，中間為雙面加熱片，向上依次為均熱板、被測試件、均熱板、冷卻裝置，上下裝置對稱。設(shè)置的八個測試點及各點之間的位置關(guān)系如圖3所示。

圖3 導(dǎo)熱系數(shù)測試原理示意圖

導(dǎo)熱系數(shù)指單位溫度梯度作用下，通過單位面積進(jìn)行傳遞的熱流量，可表示為：

式中：為接觸面積，單位m2；為熱量傳遞距離，單位m；D為溫度差，單位K；為熱流量，單位W。

截面積相同的兩材料在同一環(huán)境、同一時間下導(dǎo)熱系數(shù)的比值可表示為：

由于同時滿足一維導(dǎo)熱假設(shè)[6]，因此，均熱板內(nèi)溫度與傳熱距離呈線性關(guān)系，可推得：

D1= (22–1) –(23–4) (3)

D2= (26–5) –(27–8) (4)

則，比例系數(shù)為：

待測鋁基覆銅板的導(dǎo)熱系數(shù)即為：

待測=已知(6)

2 影響測量誤差因素及部分改進(jìn)措施

本文所述的樣本對比法，可能存在以下幾方面影響測量誤差的因素：（1）均熱板尺寸導(dǎo)致的誤差；（2）溫度測量以及測試環(huán)境溫度控制導(dǎo)致的誤差；（3）樣本試件導(dǎo)熱系數(shù)標(biāo)定誤差；（4）測試裝置及溫度傳感器對傳熱破壞引起的誤差。另外，固體表面粗糙、不能完全接觸，造成的接觸熱阻也是誤差影響因素之一[7]，但因所選的樣本試件與待測鋁基覆銅板相近，暫將其忽略，不作考慮。

2.1 均熱板結(jié)構(gòu)選擇

對于均熱板尺寸確定的問題，本文利用有限元分析軟件ANSYS分析了在穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱情況下均熱板內(nèi)的溫度分布關(guān)系[8]。以圓形均熱板為例，實驗發(fā)現(xiàn)，設(shè)定均熱鋁板厚度較小時，沿軸向溫度梯度小、分布密集，如圖4所示，但均熱板上下表面溫差小，在實際的溫度測量中將產(chǎn)生較大誤差，很難滿足測試精度的要求。故需將均熱板厚度增加。

圖4 均熱板內(nèi)溫度場分布圖(a)及沿軸向分布曲線(b)

當(dāng)對厚度為80 mm、直徑為30 mm的均熱鋁板進(jìn)行穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱分析時，觀察到其內(nèi)部溫度場并非呈線性分布，如圖5所示。分析其原因，為隨均熱板厚度增加，側(cè)面面積相對增大，熱輻射和熱對流比重增大所致。因此決定采用韌性好、抗壓能力強、電絕緣性好、保溫性能良好的尼龍作為側(cè)面保溫材料，并利用ANSYS重新建模、分析。其內(nèi)部溫度分布場圖與內(nèi)部沿軸向分布曲線如圖6所示?？梢郧逦闯?，內(nèi)部溫度場仍呈現(xiàn)一維分布，沿軸向溫度分布幾乎呈線性。同時，在軸向擁有比較理想的溫度梯度，方便獲取有效的溫度測試數(shù)據(jù)，滿足測試精度要求，所以本文鋁基覆導(dǎo)熱系數(shù)測試平臺設(shè)計最終采用此種傳熱板結(jié)構(gòu)。

圖5 非大平壁均熱板內(nèi)沿軸向溫度場分布曲線

圖6 保溫下均熱板內(nèi)部溫度場布圖(a)與軸向溫度分布曲線(b)

2.2 溫度測量與控制

為避免溫度測量產(chǎn)生的較大誤差，經(jīng)過溫度傳感器的優(yōu)劣對比，選用線性好、溫度系數(shù)分散小的Pt1000作為實驗用溫度傳感器。測溫過程除設(shè)計零溫度漂移恒流源外，還設(shè)計了一個可以同時測量溫度和溫差的測量電橋，旨在利用式（5）的兩種表示形式完成兩種溫度測量方案，再求取平均值，從而減小溫度測量誤差。零溫度漂移恒流源和測溫（差）電橋原理圖分別如圖7和圖8。

圖7 零溫度漂移恒流源

圖8 測溫(差)電橋原理圖

3 測試平臺設(shè)計

依據(jù)前文所述測試原理，設(shè)計并實現(xiàn)了一種與之相應(yīng)的鋁基覆銅板導(dǎo)熱系數(shù)測試平臺[9]。整個平臺的設(shè)計分機械結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)采控與處理、應(yīng)用軟件三個部分，該測試平臺三維立體圖如圖9顯示，機械結(jié)構(gòu)包括雙面電加熱片、均熱板、尼龍護(hù)套、冷卻裝置以及支撐裝置等部件；數(shù)據(jù)采控與處理部分包括單片機、測溫、測壓電路、步進(jìn)電機、數(shù)據(jù)存儲、液晶顯示等模塊，見圖10。測試軟件主要由C#語言編譯[10]。該軟件以實現(xiàn)安全的可操作性與良好的人機互動為目的，不僅設(shè)置信息錄入、設(shè)定控制等必要模塊，還增加實時監(jiān)測與溫度曲線模塊，使操作者可以獲得準(zhǔn)確結(jié)果的同時，較直觀地了解整個測試過程，見圖11。

圖9 測試平臺三維圖

圖10 平臺數(shù)據(jù)采集部分實物圖

圖11 軟件設(shè)定控制模塊

鋁基覆銅板導(dǎo)熱系數(shù)的簡化測試步驟為：（1）完成軟、硬件調(diào)試；（2）將已知樣本試件與待測鋁基覆銅板上下表面涂抹導(dǎo)熱油脂后水平放入測試位置；（3）平臺各功能模塊初始化，錄入必要信息；（4）啟動加熱、制冷、壓力裝置；（5）待穩(wěn)態(tài)后記錄測試數(shù)據(jù)（軟件界面顯示實時溫度、壓力，并且每10 s更新一次，當(dāng)10次溫度數(shù)據(jù)的收斂方差小于0.1時認(rèn)為達(dá)到穩(wěn)態(tài)）；（6）設(shè)定不同溫度、壓力值，重復(fù)測試。

4 測試結(jié)果與分析

采用此設(shè)計平臺，取304不銹鋼作為提供對比的樣本試件（樣本試件的導(dǎo)熱系數(shù)過小，受測量誤差影響較大，樣本試件的導(dǎo)熱系數(shù)過大，所測試件的導(dǎo)熱系數(shù)變化不明顯，所以選導(dǎo)熱系數(shù)為鋁基覆銅板的10~20倍的304不銹鋼作為樣本試件）；設(shè)定溫度為50 ℃（50 ℃時304不銹鋼的導(dǎo)熱系數(shù)為16.2 W/m）；壓力為0.69 MPa；分別對三塊鋁基覆銅板進(jìn)行了導(dǎo)熱系數(shù)的測試（實驗所采用的被測試樣都是由全國印制電路標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會所提供），得到表1實驗數(shù)據(jù)。

表1 鋁基覆銅板實驗數(shù)據(jù)

Tab.1 The experimental data of aluminum based copper clad laminate

表1中，為單位面積的接觸熱阻；a為計算的鋁基覆銅板被測試件的導(dǎo)熱系數(shù)；b為利用此平臺，采用傳統(tǒng)熱板法所得到的導(dǎo)熱系數(shù)；c為廠家提供的導(dǎo)熱系數(shù)參考值。

可以看出，采用樣本對比法測得的三組試件的導(dǎo)熱系數(shù)與廠家提供的參考值相差很小，誤差均不大于3%。而采用傳統(tǒng)熱板法測得的三組試件的導(dǎo)熱系數(shù)與廠家提供的參考值相差較大，誤差達(dá)6%左右。此外，在不同的測試標(biāo)準(zhǔn)下，通過設(shè)置不同的溫度和壓力值，測量了不同厚度的試樣的導(dǎo)熱系數(shù)。測試結(jié)果顯示，利用此次設(shè)計的測試平臺獲得的測試結(jié)果都能夠滿足實際的測試要求，誤差均在3%左右；而且，實驗結(jié)果表現(xiàn)出良好的一致性。同時，測試速度快，耗時短。據(jù)相關(guān)資料統(tǒng)計，現(xiàn)有的測量鋁基覆銅板導(dǎo)熱系數(shù)技術(shù)的測量誤差均在5%左右?？梢钥闯?，此次設(shè)計的測試平臺有效地提升了測試精度，對于準(zhǔn)確評估鋁基覆銅板的導(dǎo)熱性能有著積極的作用。

5 總結(jié)

本文所提的樣本對比法，減小了因輻射散熱、邊緣散熱引起的熱量測量誤差，提高了鋁基覆銅板導(dǎo)熱系數(shù)的測量精度。同時，將導(dǎo)熱系數(shù)測試過程中容易產(chǎn)生誤差的主要因素，由熱量測量轉(zhuǎn)為樣本試件標(biāo)定的導(dǎo)熱系數(shù)精度，從理論上縮小了誤差范圍。平臺設(shè)計過程中，尼龍護(hù)套的采用及軟硬件的配套使用，不僅有效減少了測量誤差，還簡化了實驗人員的操作，節(jié)約了實驗設(shè)備的成本。從測試結(jié)果也可以清晰地對比出，該方法較傳統(tǒng)導(dǎo)熱系數(shù)測試方法有了明顯的改進(jìn)。因此，本文的實驗對以后該領(lǐng)域的研究具有一定借鑒意義。

[1] 師劍英. 金屬印制電路板基板的發(fā)展現(xiàn)狀及應(yīng)用 [J].電子元器件應(yīng)用, 2002, 4(9): 46-47.

[2] 何廣軍, 高育鵬, 白云. 現(xiàn)代測試技術(shù) [M]. 西安: 西安電子科技大學(xué)出版社, 2007.

[3] ASTM. E1461-2011 Standard test method for thermal diffusivity by the flash method [S]. USA: Elsevier, 2011.

[4] 卜祥偉, 師劍軍, 張衛(wèi). 鋁基覆銅板導(dǎo)熱系數(shù)的測試方法 [J]. 電子器件, 2011, 44(4): 63-66.

[5] 崔展寧, 白云, 祥偉, 等. 鋁基覆銅板導(dǎo)熱系數(shù)瞬態(tài)測量方法與技術(shù)的探討 [J]. 絕緣材料, 2013, 46(2): 70-74.

[6] 章熙民. 傳熱學(xué) [M]. 北京: 中國建筑工業(yè)出版社, 2001.

[7] BABA T, TAKETOSHI N, YAGI T. Development of ultrafast laser flash methods for measuring thermophysical properties of thin films and boundary thermal resistances [J]. Jpn J Appl Phys, 2011, 50(11): 1-3.

[8] 陳天峰, 師劍軍, 馬衛(wèi)東. 鋁基覆銅板導(dǎo)熱系數(shù)測試改進(jìn) [J]. 絕緣材料, 2014, 47(2): 97-101.

[9] 鄭榮波, 鄧建兵. 低導(dǎo)熱率材料測量裝置研究 [J]. 制冷與空調(diào), 2009, 23(4): 97-100.

[10] 楊永華, 曾輝, 陳美華. 改進(jìn)型導(dǎo)熱系數(shù)測量儀的研制與實驗 [J]. 實驗室研究與探索, 2011, 30(3): 20-23.

（編輯：陳渝生）

Improved analysis on test approach of aluminum based copper clad laminate thermal conductivity

REN Chengwei, SHI Jianjun, MA Weidong, ZHANG Yong

(The Missile Institute of Air Force Engineering University, Xi’an 710051, China)

To measure easily and accurately the heat conduction parameter of aluminum base copper clad laminate, an improved heat conduction parameter measurement approach was designed. This approach took a sample as a reference, the heat conduction parameter of a PCB was calculated based on the theory that the heat conduction parameter proportion between two PCBs were nearly same. A novel aluminum base copper clad laminate test platform was constructed through theory analysis and simulation validation. The experiment results reveal that this platform can reduce measurement error effectively, simplify the operation process, and save the cost of experiments.

aluminum based copper clad laminate; thermal conductivity; test method; hot resistance; hot plate; hot dissipation

10.14106/j.cnki.1001-2028.2017.01.016

TP332.2

A

1001-2028（2017）01-0080-05

2016-10-28

師劍軍

師劍軍（1966－），男，河南安陽人，副教授，主要從事檢測技術(shù)與自動化研究，E-mail: m13152170357@163.com；

任成偉（1993－），男，山西呂梁人，研究生，主要從事現(xiàn)代檢測技術(shù)的研究，E-mail: m13152170357@163.com。

http://www.cnki.net/kcms/detail/51.1241.TN.20161230.1024.015.html

網(wǎng)絡(luò)出版時間：2016-12-30 10:24:32