CSTM(B)051-2022 熱界面材料接觸熱阻 光熱輻射法(征求意見稿)

ICSXX.XXX.XX

CCSXXXX

團體標準

T/CSTMXXXXX—202X

熱界面材料接觸熱阻光熱輻射法

Thermalcontactresistanceofthermalinterfacematerialsphotothermal

radiationtechnique

(征求意見稿)

202X-XX-XX發(fā)布202X-XX-XX實施

中關村材料試驗技術聯(lián)盟發(fā)布

T/CSTMXXXXX—2022

引言

在電子元器件熱管理中，熱界面材料（TIM）是一類常用材料，用于彌合發(fā)熱單元與熱沉之間的縫

隙，其性能優(yōu)劣直接決定了器件整體熱管理效率的好壞。TIM的熱阻由其自身熱阻以及與芯片或熱沉

等表面之間的接觸熱阻共同組成。當TIM的BLT厚度較大時，由于其自身導熱系數(shù)較低，材料本身熱

阻在整體熱阻中占主導地位，接觸熱阻可以忽略不計。而隨著TIM向高導熱、低BLT厚度發(fā)展，材料

自身熱阻持續(xù)降低，由于界面接觸而產生的熱阻對傳熱影響也越來越大。因而，對高性能TIM與目標

表面之間的接觸熱阻進行表征測量，對高性能熱界面材料研發(fā)和應用具有重要意義。

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熱界面材料接觸熱阻測試方法

1范圍

本文件規(guī)定了熱界面材料與工作表面之間的接觸熱阻的測試方法。

本文件適用于測量硅脂、凝膠以及墊片類熱界面材料與其貼合表面之間的接觸熱阻測量。

2規(guī)范性引用文件

下列文件中的內容通過文中的規(guī)范性引用而構成本文件必不可少的條款。其中，注日期的引用文件，僅

該日期對應的版本適用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改單）適用于本文件。

ISO7345:2018Thermalperformanceofbuildingsandbuildingcomponents–Physicalquantitiesand

definitions

ISO9251:1987Thermalinsulation—Heattransferconditionsandpropertiesofmaterials—Vocabulary

3術語和定義

ISO7345或ISO9251界定的以及下列術語和定義適用于本文件。

表1本標準所涉及主要物理量

物理量符號單位

熱導率kW/(mK)

熱阻RM2K/W

厚度dm

密度ρKg/m3

比熱cpJ/(kgK)

3.1

下列術語和定義適用于本文件。

定義1接觸熱阻ThermalContactResistance

熱量跨過兩個接觸物體的接觸面時會在界面處形成溫差，將溫差與通過熱流量的比值定義為該接觸界面

的接觸熱阻。接觸熱阻由接觸面兩側物體共同決定。

定義2室溫RoomTemperature

通用術語，指人在該環(huán)境的溫度下感到舒適的測量平均試驗溫度。

[來源：GB/T10295-20081.3.8]

定義3環(huán)境溫度AmbientTemperature

通用術語，指樣品、試件或整個裝置周邊的溫度。對于封閉的空間為空間內溫度，不封閉的空間為

實驗室溫度。

[來源：GB/T10295-20081.3.9]

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表2符號和單位

符號物理量單位

θ溫升K

i層標記無

x厚度方向坐標軸m

ɑ熱擴散系數(shù)m2/s

t時間s

β激光吸收系數(shù)m-1

I入射激光能量W

L厚度m

調制信號角頻率rad/s

li第i層上表面位置m

4原理

頻域瞬態(tài)光熱輻射法是一種頻域范圍內的非接觸式導熱測量方法。該方法基于樣品的光熱輻射效

應，即樣品表面的熱輻射強度變化依賴于樣品的溫度變化，因而可以采用調制的周期性加熱激光對樣品

進行加熱，使得樣品表面產生周期性的溫度變化，而這種周期性的表面溫度變化使得樣品表面的熱輻射

也產生周期性的變化，這種熱輻射的周期變化可以采用紅外探測器捕獲。由于不同樣品的熱物參數(shù)如熱

導率，接觸熱阻，比熱等不同，樣品表面溫度變化的幅度和相位信息也不同。因而探測信號包含樣品的

熱物參數(shù)信息，可以通過對傳熱方程的求解來提取出來。如圖1所示為一個多層材料模型，包含最前面

的空氣層，最后面的基地層以及二者之間的多個樣品層。在該方法的測試中，加熱激光的光斑尺寸往往

遠大于樣品層的厚度，因而樣品內部的傳熱過程可以認為是沿著厚度的一維過程。

圖1多層材料的一維傳熱模型示意圖

一維傳熱微分方程如公式1所示。

21IN

iii0exp(L)eii(xl)(1ejt)

x2t2kmm

iimi1(1)

對公式1的詳細求解過程可以附錄中參考文獻1。樣品溫升的周期性變化部分可以表示為以下形式：

i(xli)i(xli)i(xli)jt

is,[AeBeEe]e

iii

樣品表面溫升的周期性變化部分可以表示為：

4

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N1xjt

Ns1,Bee

N1

其與入射激光之間的相位差可以表示為：

Arg(BN+1)-π/4

由樣品熱物性能信息即包含在Arg(BN+1)之中。

5試驗條件

室溫下或控制環(huán)境溫度。

6試料或材料

熱界面材料常用工作表面材料，包括薄硅片，銅片，鋁片等。

石墨噴涂劑或具有較好激光吸收和輻射特性的金屬鍍層，用于增強樣品表面激光能量吸收及表面熱

輻射。

樣品夾具，用于將樣品夾持在其工作表面材料之間，并控制施加壓力。

7儀器設備

本實驗方法使用者應全面地理解測試系統(tǒng)的指導方針。雖然在搭建儀器時，指導方針成為強制性條

款，必須嚴格遵守，但使用者還應證明設備是符合本規(guī)范要求的。如果忽視了這點，就可能導致測量上

的嚴重誤差，甚至是測量失敗。

圖2為相敏瞬態(tài)光熱輻射法的典型儀器布置示意圖。可以看出整個系統(tǒng)包括激光器、紅外探測器，

前置放大器、鎖相放大器、函數(shù)發(fā)生器、個人電腦以及激光光路和輻射信號收集光路。

圖2相敏瞬態(tài)光熱輻射法儀器系統(tǒng)示意圖

7.1激光器

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用于提供熱量以加熱樣品表面。其能量的時域分布可用函數(shù)發(fā)生器調節(jié)，在相敏光熱輻射法實驗中，

激光能量被調制成周期性的方波信號，如圖2中所示。

7.2函數(shù)發(fā)生器

用于控制激光輸出信號的時域能量分布，在本測試方法中，用于將激光信號調制成周期性信號，并

將該信號的頻率和相位信息提供給鎖相放大器作為參考信號。

7.3紅外探測器

用于探測樣品表面熱輻射信號，并轉化為電信號。在本測試方法中，使用碲鎘汞液氮制冷紅外探測

器。

7.4前置放大器

用于放大紅外探測器得到的信號。

7.5鎖相放大器

用于接收紅外探測器信號，并從中識別和分離出與入射激光信號同頻率的周期信號的幅值和相位。

7.6電腦

用于控制整套系統(tǒng)的自動化運行以及數(shù)據的收集和存儲。

7.7激光光路和熱輻射收集光路

激光光路通過簡單的凸透鏡和反射鏡將激光聚焦到樣品表面，并調整合適的光斑尺寸。兩個拋物反

射鏡將樣品表面的熱輻射信號收集并導入紅外探測器。紅外探測器前防止金屬鍺做成的窗口，用于濾除

激光信號，只允許熱輻射信號進入探測器。

8樣品

導熱凝膠、導熱硅脂、導熱墊片等常用熱界面材料。

9試驗步驟

9.1測試過程

9.1.1測試樣品制備和儀器調整

將待測熱界面材料夾持在其目標工作表面材料制成的薄片之間，制成三明治結構。為了保證熱量穿

透表面材料，且滿足壓力施加需求，應選擇合適厚度的表面材料。以硅片為例，本測試采用100微米厚

度的薄硅片，將熱界面材料夾持在兩片硅片之間。之后在該三明治樣品的一面旋涂石墨噴劑，作為激光

的吸收面。采用壓力施加裝置，對該三明治結構施加壓力。本文件并不規(guī)定特定的壓力施加裝置，但其

應必須滿足一定的條件，即保證激光的加熱面部分區(qū)域裸露，以便于進行表面加熱和信號探測。將樣品

固定到樣品臺上，調節(jié)其空間位置，使得其表面面向收集信號的拋物鏡，且在拋物鏡的焦距上。調整激

光，使其照射到樣品上拋物鏡焦點所在位置，且調節(jié)光斑尺寸至約2-3mm。

9.1.2系統(tǒng)延遲標定信號采集

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在本文件規(guī)定的測試中，通過信號發(fā)生器來將激光加熱源調制成周期信號，探測到的輻射信號為同

頻率的周期信號。輻射信號與加熱信號之間的實際相位差，攜帶被加熱樣品的熱物性能信息，被用來進

行數(shù)據處理從而提取待測試參數(shù)。而在實際測試中，所測得的相位差為鎖相放大器信號與信號發(fā)生器的

參比信號之間的差值。信號發(fā)生器的調制信號與激光的實際加熱信號，鎖相放大器所探測信號與熱輻射

信號之間均存在由儀器自身響應延遲所帶來的相位。因而，需要把這類相位和時間延遲扣除才能得到實

際的加熱和熱輻射之間的相位差。在本測試中，在收集熱輻射信號之前，先通過測量樣品表面反射信號

的方式得到整個系統(tǒng)帶來的相位延遲。此時注意，將探測器之前的鍺窗口移除，并將激光能量進行合理

衰減。設置完成后啟動自動采集程序，采集不同調制頻率下的反射信號并將其幅值和相位紀錄存儲。

9.1.3輻射信信號號采集

與標定信號的采集過程完全相同，只是加上鍺窗口，并移除激光衰減裝置。采集相同頻率下樣品表

面的熱輻射信號，并將其幅值和相位記錄存儲。

10試驗數(shù)據處理

將得到的輻射信號的相位減去系統(tǒng)延遲標定得到的反射信號相位，即得到輻射信號與加熱信號之間的真

實相位差。

求解在周期性加熱信號下的測試模型的導熱微分方程，得到其表面周期性溫度變化信號的相位差，該步

驟采用Matlab編程來實現(xiàn)。給定三明治完整的樣品信息，包括各個層的厚度，密度，比熱，熱導率以及各

層間的界面熱阻，可以實現(xiàn)熱傳導方程的求解和表面溫度信號的提取。通過給定不同的待測目標物理量，如

工作表面與熱界面材料之間的接觸熱阻，計算得到表面溫度信號的相位差。對測試得到的相位差和理論計算

的相位差進行最小二乘法擬合，二者最符合時所對應的接觸熱阻即為待測界面的接觸熱阻。如下圖所示為某

款高導熱碳纖維導熱墊在10PSI壓力下與硅之間的接觸熱阻擬合。

圖3碳纖維導熱墊片與硅片間接觸熱阻擬合—作為本標準方法的數(shù)據處理代表

11精密度（重復性和再現(xiàn)性）

采用本標準規(guī)定的實驗系統(tǒng)和方法測試了碳纖維導熱墊，相變導熱膜，液態(tài)金屬三種熱界面材料與硅片

之間的接觸熱阻，測試結果如下表所示。

表3幾種熱界面材料與硅片接觸熱阻測試結果

樣品名稱接觸熱阻（×10-6(K·m2)/W平均值相對精度

3.91

碳纖維導熱墊3.5614.4%

3.81

7

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2.97

1.31

相變導熱膜1.581.459.3%

1.46

0.61

液態(tài)金屬0.930.6250.3%

0.31

從表中可以看出，對于不同的熱界面材料，測試的精確度和不確定度也有不同，通常，界面熱阻的

絕對值越小，對其的測量越困難，不確定度也越大。

12質量保證和控制

基于本標準進行目標樣品測試前應采用標準樣品對儀器系統(tǒng)進行測試和校準。

13試驗報告

試驗報告應當包括下列內容：

a）識別樣品、實驗室和試驗日期所需的全部資料；

b）引用標準；

c）結果及其表示；

d）使用的分析線；

e）測定中發(fā)現(xiàn)的異?，F(xiàn)象；

f）對結果可能已產生影響的本文件中未作規(guī)定的各種操作或任選的操作。

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附錄A

（資料性）

起草單位和主要起草人

本文件起草單位：XXXXXX

本文件主要起草人：XXX

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參考文獻

[1]HanpingHu,XinweiWang,andXianfanXu,Generalizedtheoryofthephotoacousticeffectina

multilayermaterial,JournalofAppliedPhysics86,3953(1999)

_________________________________

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前言

本文件參照GB/T1.1—2020《標準化工作導則第1部分：標準化文件的結構和起草規(guī)則》，GB/T20001.4

—2015《標準編寫規(guī)則第4部分：試驗方法標準》給出的規(guī)則起草。

請注意本文件的某些內容可能涉及專利。本文件的發(fā)布機構不承擔識別專利的責任。

本文件由中國材料與試驗團體標準委員會電子材料領域委員會（CSTM/FC51）提出。

本文件由中國材料與試驗團體標準委員會電子材料領域委員會（CSTM/FC51）或電子組裝材料標準化技術

委員會（CSTM/FC51/TC03）歸口。

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熱界面材料接觸熱阻測試方法

1范圍

本文件規(guī)定了熱界面材料與工作表面之間的接觸熱阻的測試方法。

本文件適用于測量硅脂、凝膠以及墊片類熱界面材料與其貼合表面之間的接觸熱阻測量。

2規(guī)范性引用文件

下列文件中的內容通過文中的規(guī)范性引用而構成本文件必不可少的條款。其中，注日期的引用文件，僅

該日期對應的版本適用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改單）適用于本文件。

ISO7345:2018Thermalperformanceofbuildingsandbuildingcomponents–Physicalquantitiesand

definitions

ISO9251:1987Thermalinsulation—Heattransferconditionsandpropertiesofmaterials—Vocabulary

3術語和定義

ISO7345或ISO9251界定的以及下列術語和定義適用于本文件。

表1本標準所涉及主要物理量

物理量符號單位

熱導率kW/(mK)

熱阻RM2K/W

厚度dm

密度ρKg/m3

比熱cpJ/(kgK)

3.1

下列術語和定義適用于本文件。

定義1接觸熱阻ThermalContactResistance

熱量跨過兩個接觸物體的接觸面時會在界面處形成溫差，將溫差與通過熱流量的比值定義為該接觸界面

的接觸熱阻。接觸熱阻由接觸面兩側物體共同決定。

定義2室溫RoomTemperature

通用術語，指人在該環(huán)境的溫度下感到舒適的測量平均試驗溫度。

[來源：GB/T10295-20081.3.8]

定義3環(huán)境溫度AmbientTemperature

通用術語，指樣品、試件或整個裝置周邊的溫度。對于封閉的空間為空間內溫度，不封閉的空間為

實驗室溫度。

[來源：GB/T10295-20081.3.9]

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表2符號和單位

符號物理量單位

θ溫升K

i層標記無

x厚度方向坐標軸m

ɑ熱擴散系數(shù)m2/s

t時間s

β激光吸收系數(shù)