基于方波脈沖源熱反射法同步表征熱界面材料中壓力依賴的體材料與界面熱學(xué)性能

論文信息：

Tao Chen, Bingjia Xiao, Xin Qian, Puqing Jiang, Simultaneous measurement of pressure-dependent bulk and interfacial thermal properties in thermal interface materials using square-pulsed source thermoreflectance, arXiv：2603.22733 [physics.app-ph]

論文鏈接：

https://arxiv.org/abs/2603.22733

Part.1

研究背景

隨著電力電子設(shè)備中的功率密度持續(xù)增加，熱管理越來越不僅受限于散熱器和均熱板，還受限于從發(fā)熱器件到外部冷卻結(jié)構(gòu)的熱流路徑上的熱阻。因此，熱界面材料（TIMs）被廣泛引入。

對(duì)于一個(gè)已粘接的 TIM 層，其熱性能至少由三個(gè)參數(shù)決定：TIM 體材料的熱導(dǎo)率(k)、該層的體積熱容(C)，以及接觸表面處的界面熱阻（ITR）。在實(shí)際組裝條件下，TIM 的特性并不總是本征常數(shù)。先前的研究表明，TIM 接頭的總熱導(dǎo)率可能會(huì)隨著夾緊壓力的增加而顯著提高 。

現(xiàn)有的主流TIM測(cè)試方法（如穩(wěn)態(tài)標(biāo)準(zhǔn)ASTM D5470、瞬態(tài)LFA、高頻TDTR等）都存在明顯缺陷。由于缺乏能同時(shí)測(cè)量這三個(gè)參數(shù)并追蹤其隨壓力歷史演變的實(shí)驗(yàn)手段，導(dǎo)致對(duì)TIM在真實(shí)受壓條件下的行為理解嚴(yán)重不足。

方波脈沖源（SPS）熱反射技術(shù)為解決這個(gè)問題提供了機(jī)會(huì)。在 SPS 中，泵浦光束被一個(gè)占空比為50%的方波調(diào)制，其頻率范圍異常寬廣，從1HZ到10MHZ，并且時(shí)間分辨的熱反射響應(yīng)通過傳熱模型進(jìn)行解釋。能夠在單個(gè)實(shí)驗(yàn)框架內(nèi)獲取不同時(shí)間尺度的熱存儲(chǔ)、熱擴(kuò)散和界面?zhèn)鳠嵝畔ⅰＨ欢湓趬毫煽氐?TIM 組件（其中體材料和界面特性共同演變）中的應(yīng)用能力尚未得到證實(shí)。

論文針對(duì)三個(gè)知識(shí)空白：缺乏能同時(shí)解析 TIM 組件中k、C和 ITR 的單一瞬態(tài)方法；對(duì)這些參數(shù)如何隨壓力和加載歷史演變的了解有限；以及 TIM 特性表征與決定電子封裝性能的熱過程之間的聯(lián)系不足。研究將 SPS 熱反射法與一個(gè)壓力可控的樣品平臺(tái)相結(jié)合，并研究了三種具有代表性的 TIM 類別：一種導(dǎo)熱凝膠、一種導(dǎo)熱墊片和一種高真空脂。

這項(xiàng)工作旨在為表征實(shí)際熱管理系統(tǒng)中使用的 TIM 組件的狀態(tài)依賴熱傳輸，建立一條與設(shè)計(jì)相關(guān)的路徑。

Part.2

研究內(nèi)容

實(shí)驗(yàn)裝置的示意圖如圖 1(a) 所示。泵浦激光經(jīng)鎖相放大器進(jìn)行方波調(diào)制，以周期性地加熱樣品表面，同時(shí)反射的探針光束被光電探測(cè)器收集。鎖相放大器的周期波形分析儀（PWA）模塊記錄一個(gè)調(diào)制周期內(nèi)隨時(shí)間變化的電壓響應(yīng)。泵浦光強(qiáng)的相應(yīng)時(shí)間分布如圖 1(b) 所示。為了在壓縮狀態(tài)下進(jìn)行測(cè)量，SPS 與一個(gè)壓力可控平臺(tái)進(jìn)行了集成，如圖 1(c) 所示。

圖 1壓縮狀態(tài)下方波脈沖源（SPS）熱反射技術(shù)的實(shí)驗(yàn)配置(a) SPS 泵浦-探針系統(tǒng)的光路設(shè)置(b) 一個(gè)調(diào)制周期內(nèi)探針、泵浦和反射探針信號(hào)的示意性時(shí)間分布(c) 用于 TIM 測(cè)量的壓力可控樣品臺(tái)，其中通過一個(gè)彈簧加載裝置將鍍鋁透明基板壓靠在 TIM 上

首先采用差分測(cè)量策略來表征參考的玻璃/Al/空氣結(jié)構(gòu)。通過同時(shí)擬合在三個(gè)頻率下測(cè)得的信號(hào)，確定了玻璃基板的熱導(dǎo)率和體積熱容，以及 Al 薄膜的熱導(dǎo)率。隨后，考慮了導(dǎo)熱凝膠在 0.16 MPa 下的一個(gè)代表性案例，以說明 SPS 如何對(duì) Al/TIM 系統(tǒng)的熱導(dǎo)率、體積熱容和界面熱阻進(jìn)行解耦。測(cè)量使用了相同的 12.2 μm 激光光斑半徑和相同的三個(gè)調(diào)制頻率。相應(yīng)的歸一化振幅信號(hào)如圖 2(a-c) 所示，相關(guān)的靈敏度系數(shù)則繪制于圖 2(d-f) 中。

圖 2導(dǎo)熱凝膠在 0.16 MPa 下的代表性 SPS 測(cè)量與靈敏度分析。(a-c) 在激光光斑半徑為 12.2 μm、調(diào)制頻率分別為 1 MHz、100 kHz 和 4 kHz 下測(cè)得的歸一化振幅信號(hào)。符號(hào)為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，實(shí)線為模型擬合結(jié)果；插圖中展示了對(duì)應(yīng)的全周期瞬態(tài)響應(yīng)(d-f) 對(duì) TIM 熱導(dǎo)率（kTIMkTIM）、體積熱容（CTIMCTIM）和界面熱阻（ITR）的靈敏度系數(shù)

圖 3 總結(jié)了 RS382 導(dǎo)熱凝膠在加載和卸載過程中隨壓力變化的熱行為。在加載過程中可以觀察到三個(gè)明顯的趨勢(shì)：熱導(dǎo)率隨壓力增加而增加，體積熱容也隨壓力增加而增加，而界面熱阻則隨壓力增加而降低。這些結(jié)果表明，壓縮同時(shí)增強(qiáng)了體材料和界面的熱傳輸。

圖 3導(dǎo)熱凝膠在加載和卸載過程中的壓力依賴熱特性。(a) 熱導(dǎo)率 k(b) 體積熱容 C(c) 鋁與TIM之間的界面熱阻 (ITR)帶誤差棒的符號(hào)為 SPS 測(cè)量結(jié)果，實(shí)線為壓力依賴的多孔介質(zhì)/接觸模型的擬合曲線。(d) 反演得到的孔隙率 ? 演化

圖4總結(jié)了該商用導(dǎo)熱墊片在加載和卸載過程中的熱特性。與凝膠的情況一樣，k、C 和 ITR 均隨壓力強(qiáng)烈變化。然而，其背后的物理解釋有所不同，因?yàn)樵搲|片更適合被視為一種高柔順性的填充復(fù)合材料，而非一種簡單的多孔凝膠。

圖 4導(dǎo)熱墊片在加載和卸載過程中的壓力依賴熱特性。(a) 熱導(dǎo)率 k(b) 體積熱容 C(c) 鋁與TIM之間的界面熱阻 (ITR)。帶誤差棒的符號(hào)為 SPS 測(cè)量結(jié)果，實(shí)線為簡化壓縮狀態(tài)/接觸導(dǎo)熱模型的擬合曲線。藍(lán)色表示加載過程，紅色表示卸載過程

高真空脂表現(xiàn)出一種截然不同的行為，如圖5所總結(jié)。與導(dǎo)熱凝膠和導(dǎo)熱墊片不同，在所研究的壓力范圍內(nèi)，該油脂的體材料熱導(dǎo)率和體積熱容幾乎沒有可測(cè)量的壓力依賴性。如圖5(a)所示，提取出的熱導(dǎo)率大致保持在約0.15 W/(m·K)的恒定值，這與制造商報(bào)告的0.19 W/(m·K)數(shù)值合理吻合。類似地，圖5(b)顯示，體積熱容保持在約0.65-0.70 MJ/(m3·K)的狹窄范圍內(nèi)，其變化幅度與實(shí)驗(yàn)不確定度相當(dāng)。如圖5(c)所示，Al-TIM界面熱阻隨壓力增加而顯著降低，從低壓時(shí)的0.08 m2·K/W降至最高壓力時(shí)的0.03 m2·K/W。這種強(qiáng)烈的壓力依賴性表明，油脂熱性能的改善主要源于界面處潤濕性和間隙填充的增強(qiáng)。隨著載荷增加，油脂被更有效地?cái)D壓進(jìn)入表面粗糙峰的凹陷處和殘余空隙中，從而減少了局部間隙，增加了界面上的有效傳熱面積。

圖 5高真空脂的壓力依賴熱特性(a) k(b) C(c) Al-TIM 界面熱阻（ITR）。帶有誤差棒的符號(hào)為 SPS 測(cè)量值，實(shí)線為擬合趨勢(shì)線

Part.3

研究總結(jié)

論文提出的方波脈沖源（SPS）熱反射法，可在壓縮載荷下同時(shí)測(cè)量熱界面材料（TIM）的熱導(dǎo)率（k）、體積熱容（C）和界面熱阻（ITR），無需事先假定 C 值。通過對(duì)導(dǎo)熱凝膠、墊片和高真空硅脂的加載-卸載實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：凝膠和墊片的 k、C 和 ITR 均隨壓力顯著變化且存在明顯滯后，表明體材料狀態(tài)與界面貼合發(fā)生了不可逆演變；而硅脂僅 ITR 隨壓力降低，k 和 C 幾乎不變，呈現(xiàn)界面主導(dǎo)的響應(yīng)。結(jié)論表明，TIM 在實(shí)際組裝中是受壓力和加載歷史控制的狀態(tài)依賴量，其準(zhǔn)確表征需同時(shí)考慮三個(gè)參數(shù)，并為預(yù)壓縮設(shè)計(jì)和界面優(yōu)化提供了直接指導(dǎo)。

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