热传导 Hot Disk量测薄型高导热材料的应用技术

Hot Disk自1992年以来一直着手于提供一种可靠、方便且有效的方式来量测各种材料的热传导特性。该方法开发后不久，便决定开始评估量化薄型金属片导热能力，同时也意识到许多客户有此种材料的测试需求；一般来说，散热用的合金通常价格较高且产量有限。由于许多散热片皆以合金片状形式制作，因此如果能够以这种形式直接测试其热导率将非常有益。实际测量时会意识到探测深度对于这种类型的测试至关重要，因为TPS瞬态平面热源法(Transient plane heat source) 主要是基于热量在测试过程中皆在样品内传导的情况下，由于金属板周围空气的热导率较低（0.025 W / mK），与金属样品之间传递的热量相比，在金属样品边缘散失到周围环境的热量可以忽略不计。遵循相同的原则，用于测试薄型高导热材料的设置，会在每个样品件的外侧放置绝缘块，以减少环境造成的影响。

Hot Disk的Sensor是由Kapton绝缘材包覆薄镍箔的三层结构。我们尝试使用Hot Disk量测5种样品，分别是厚度2mm/4mm的铜和铝以及厚度4mm的黄铜，每片样品的直径为60mm，测试时间设定在3秒以上；每种金属材料取两个相同片材并将Sensor夹在两个待测金属片之间，类似于三明治状的结构。透过后端分析可以降低Sensor与样品之间的接触热阻，并有足够的测量点据来进行可靠的分析。进而得到热传导系数、热扩散系数和比热容。

▲Figure 1. 图一左侧为Hot Disk Sensor示意图，右侧为典型Hot Disk测试时Sensor与样品的放置示意图
 

我们实际将量测出来的结果与文献与制造商提供的数值做比对，发现结果非常吻合。例如：铝片制造商所提供的K值为170W/mK，Hot Disk针对厚度2mm的铝进行了6次量测，其平均值为172.5W/mK。根据温度和时间之间的线性关系计算出的比热容也与文献结果相符。
 

▲Table 1. 表一为Hot Disk分别量测五种薄型金属片的平均热传导系数和比热容
 

透过这项测试研究可以得知，只要确保样品边界上的热损失与Sensor输入的热量相比是微不足道的，就可以透过Hot Disk精确地测试薄金属样品的导热率。同时可以推论，测试所需的样品直径与待测材料的热扩散率有正相关，具有较低热扩散率的材料不需要具有和高热扩散率的材料一样大的样品直径。Hot Disk也因而开发出用于测试高导热薄型材料的高热传片状测试模块(Slab Module)，这也让Hot Disk TPS方法可用于全新的导热性测试领域, 此方法是目前较适合而且稳定的薄片高热传材料测试方法。

▲Figure 2. 图二左侧为Hot Disk TPS3500示意图。右侧为用于测试高导热薄片导热率的Slab测试模块示意图。绝缘材料放置于待测材料的两侧，以确保在测试过程中对环境的热损失较小。

作为目前国际上较具可信度的导热测试方法之一，Hot Disk TPS符合国际标准测试规范ISO22007-2，属于瞬态平面热源法的测试方式。透过一次性的量测即可快速得到大多数材料类型的热传导系数、热扩散系数和比热容。不仅能够量测固体、液体、粉体和膏体等多种型态的样品，目前Hot Disk也提供更多样的测试模块，如：异方向性模块(Anisotropic)、薄膜模块(Thin film)、比热测试模块(Specific heat)和低密度高绝缘测试模块(Low Density/High Insulator)等。我们也深信Hot Disk这样的先进量测技术，定能提供产品在微型化、高速化和高功率化的趋势演进下，对于散热需求的业界先进良好的解决方法。

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