炎懷科技導(dǎo)熱測(cè)量?jī)x-芯片與功率器件熱管理的超高導(dǎo)熱石墨烯測(cè)試

在高功率電子器件持續(xù)向高集成、高功率密度發(fā)展的背景下，散熱問題已成為制約系統(tǒng)性能與可靠性的關(guān)鍵因素。圍繞芯片與功率器件的熱管理需求，各類高導(dǎo)熱材料正在被廣泛應(yīng)用于實(shí)際工程中，包括紫銅、氮化鋁、導(dǎo)熱界面材料以及石墨類均溫?cái)U(kuò)散材料等。這些材料在不同結(jié)構(gòu)層級(jí)中承擔(dān)著熱傳導(dǎo)、熱擴(kuò)散與界面導(dǎo)熱等關(guān)鍵作用，共同構(gòu)建完整的熱管理路徑。

散熱問題制約系統(tǒng)性能與可靠性

隨著器件功率密度進(jìn)一步提升，傳統(tǒng)金屬與陶瓷材料在輕量化與熱擴(kuò)散效率方面逐漸接近性能瓶頸。以石墨、石墨烯、金剛石/銅基復(fù)合材料為代表的高導(dǎo)熱材料，憑借其優(yōu)異的導(dǎo)熱能力，開始在5G通信、功率電子、消費(fèi)電子及新能源系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用，成為提升熱擴(kuò)散效率的重要技術(shù)路徑。

圍繞這類高導(dǎo)熱材料的工程應(yīng)用，一個(gè)核心問題逐漸凸顯—如何準(zhǔn)確、穩(wěn)定地獲得其真實(shí)導(dǎo)熱性能參數(shù)，并將其有效引入熱管理設(shè)計(jì)與仿真模型

炎懷科技TPS-YH100快速導(dǎo)熱測(cè)量?jī)x搭載0.05 mm柔性傳感器以降低接觸熱阻影響，并攻克微納伏級(jí)電橋平衡技術(shù)抑制電路噪聲與系統(tǒng)誤差，配合內(nèi)置 7 位半高精度Keithley數(shù)字萬(wàn)用表可進(jìn)行高速高精度數(shù)據(jù)采集，最快測(cè)試時(shí)間可達(dá) 0.2 s，導(dǎo)熱測(cè)量能力覆蓋至 2000 W/(m·K)，實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵測(cè)試能力的國(guó)產(chǎn)替代，為半導(dǎo)體與功率電子等關(guān)鍵領(lǐng)域提供自主可控的測(cè)試支撐。

近期，我們面向客戶開展了一組超高導(dǎo)熱石墨烯膜的導(dǎo)熱測(cè)試服務(wù)。如圖1（a）所示，該石墨烯薄膜的厚度為0.21 mm。隨后，將兩片同尺寸的樣品裝夾與傳感器之間，并用標(biāo)配的工裝加緊，如圖1（b）所示。

圖1 石墨烯樣品與裝夾

樣品裝夾完成后，啟動(dòng)測(cè)試軟件。炎懷科技TPS-YH系列導(dǎo)熱測(cè)試儀圍繞實(shí)際測(cè)試流程對(duì)操作界面進(jìn)行了優(yōu)化。對(duì)于薄板類樣品，平板模塊適用于厚度約0.07~10 mm范圍內(nèi)材料的面向?qū)釡y(cè)量。結(jié)合石墨烯膜的樣品形態(tài)，本次測(cè)試選擇平板模塊，并采用雙面法測(cè)量模式，如圖 2（a）所示。完成測(cè)量模塊與模式設(shè)定后，按照界面提示配置測(cè)試參數(shù)，或直接調(diào)用歷史保存的參數(shù)方案，如圖 2（b）所示。

圖2 測(cè)試軟件設(shè)置

測(cè)試完成后，數(shù)據(jù)結(jié)果如圖3所示。綜合多次擬合結(jié)果，取其穩(wěn)定區(qū)間平均值，得到該石墨烯膜樣品的面內(nèi)等效導(dǎo)熱系數(shù)為：1475 W/(m·K)。該結(jié)果表明該石墨烯膜樣品在片層取向度優(yōu)化、界面熱阻控制及導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建方面已達(dá)到較高水平，能夠在極短時(shí)間內(nèi)將局部熱量快速擴(kuò)散，有效降低熱點(diǎn)溫度并改善溫度分布均勻性，對(duì)于5G通信射頻器件、功率模塊以及高集成芯片的散熱設(shè)計(jì)具有重要意義。測(cè)試結(jié)果可直接作為熱仿真模型輸入?yún)?shù)，為散熱結(jié)構(gòu)優(yōu)化與材料選型提供可靠數(shù)據(jù)支撐。

圖3 石墨烯膜導(dǎo)熱結(jié)果

該測(cè)試結(jié)果進(jìn)一步體現(xiàn)了炎懷科技TPS-YH導(dǎo)熱儀在高導(dǎo)熱材料測(cè)試中的優(yōu)越性能。依托柔性傳感器與微納伏級(jí)電橋平衡技術(shù)的協(xié)同作用，系統(tǒng)能夠在短時(shí)間內(nèi)獲取高信噪比的溫升響應(yīng)信號(hào)，并在極短擬合區(qū)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定計(jì)算，非常適用于石墨、石墨烯及金剛石增強(qiáng)相復(fù)合材料等超高導(dǎo)熱的精確測(cè)量。