ASTM D5470方法测试金属基覆铜板导热系数的影响因素

刘旭亮 杨 单 陈毅龙 丘威平

（1.景旺电子科技（龙川）有限公司，广东 河源 517373；2.广东省金属基印制电路板工程技术研究开发中心，广东 河源 517373）

0 引言

散热是微电子设计师经常面临的最大挑战之一，随着印制电路板（printed circuit board，PCB）向高密度、多层化方向不断发展，元器件载体的PCB 散热能力更加关键。尤其是在LED 基板、新型电源模块等领域，导热型金属基覆铜板是解决电子元器件热量散失问题的关键，其核心功能是在保留绝缘性能的基础上，提高树脂复合层的导热能力［1］。

导热系数是表征材料散热能力大小的物理量之一，材料的导热系数不仅与材料的物质种类有关，而且与其微观结构、填料含量等密切相关。在科学实验和工程设计中，所用材料的导热系数均需用实验的方法精确测定，测定方法目前已有多种，且分别有不同的适用领域、测量范围、精度、准确度、试样尺寸要求等。不同方法对同一试样的测量结果可能会有较大的差别，因此选择合适的测试方法尤为重要。

本文主要探讨ASTM D5470 稳态热流法的测试原理，以及其在金属基覆铜板材料测试应用中的影响因素。

1 ASTM D5470标准及试验方法

1.1 ASTM-D5470标准概述

目前导热系数的测定方法分为稳态法和非稳态法2 大类，各自具有不同的测试原理。在导热硅胶及金属基板行业中，常见的测试方法有稳态热板法（参照标准：ASTM-D5470）和瞬态平面热源法（参照标准：ISO 22007-2）。ASTM-D5470即热流计法，又称稳态热流法，源于美国材料与试验协会（American Society for Testing and Materials，ASTM），标准包括对热阻抗测试及表观导热系数的计算，主要用于测试薄型导热固态绝缘材料热传输特性。

该标准基于理想化的热条件，将给定厚度的测试试样置于两冷热平板表面之间，热梯度通过接触面的温度差施加在试样上，使热流通过试样，热流垂直且均匀地穿过测试表面，同时确保无横向热传输［2］。

1.2 ASTM-D5470测试原理

ASTM-D5470 标准用于测试处于稳态的电绝缘材料的热阻抗。先测试不同厚度试样的热阻抗，根据热阻抗与试样厚度的关系，由拟合直线的斜率得到与试样厚度无关的导热系数，在厚度为零时，热阻抗为两接触热阻抗之和。这是该方法与使用其他试样几何因数（如面积、厚度等）直接求取材料导热系数的稳态热流法之间最大的区别。

1.3 试验仪器及操作步骤

（1）试验仪器：台湾瑞领-LW-9389 界面材料热阻抗及热传导系数量测仪。

（2）测试模块尺寸：25.4 mm×25.4 mm。

（3）试验方法：ASTM-D5470。

（4）测试环境：温度20～26 ℃，相对湿度RH50%～60%。

（5）主要输入参数：试样各层厚度，金属基热阻抗，导热膏热阻抗，热端温度，测试压力，测试时间或结束条件。

（6）试验步骤：制样（取样打磨和测试厚度）→开机（参数设置）→涂抹导热膏→试样放置→开始测试→测试结束（生成报告）→清洁测试模块→关机。

2 测试影响因素

2.1 测试压力和时间对试样导热系数测试的影响

2.1.1 测试压力对试样导热系数测试的影响

试样与测试界面之间存在界面接触热阻抗，接触热阻抗在很大程度上受表面特性和施加在试样上的压力影响，根据材料特性不同，需要足够大的压力排除界面多余的导热膏及空气，使界面接触热阻抗最小化，但压力过大时，会损坏试样或仪器模块。根据ASTM-D5470标准，结合如图1所示的测试数据展开分析，针对较软或者附着低黏度导热膏的平整试样，压力低至0.69 MPa（100 psi）；针对较硬或者附着高黏度导热膏的非平整试样，压力高至3.4 MPa（500 psi）。

图1 不同材料类型和压力下的热阻抗测试结果

2.1.2 测试时间对试样导热系数测试的影响

ASTM-D5470 稳态热流法通过上下接触界面热流传递一定时间，稳定平衡后再判定测试结束，并得到结果，如测试时间精准可获得更准确的结果。根据ASTM-D5470标准介绍，结合设备厂商所提供参考资料说明书，建议测试时间为20～30 min。通常试样测试时间为20 min时，基本可达到稳定状态，时间过长也会影响测试效率。

另外可选择快速收敛模式（测试前设定好曲线平衡收敛度）作为测试结束条件。通常金属基覆铜板测试模式的结束条件为：曲线收敛度或平衡指数（CV）<0.2%或温度不确定度（T-STD）<0.02 ℃，达到该设定的曲线收敛标准后，仪器可自动结束测试。

2.2 导热膏热阻抗测量方法对试样导热系数测试的影响

对于ASTM D5470 方法，导热膏的热阻抗大小及准确性是影响测量精度的关键因素之一，对金属基覆铜板的测试结果影响很大。

目前业内测量导热膏热阻抗的方法主要有以下2 种：① 用设备测量单层导热膏的热阻抗，直接用于输入后续试样测试的导热膏热阻抗；② 用正常试样测试流程测量70 μm 厚度铜箔的整体热阻抗，然后用其1/2的值作为试样测试的导热膏热阻抗输入。本实验主要验证这2 种方法的差异，并分析结果。

2.2.1 测试方案

（1）目的：对比不同方法测试导热膏热阻抗的结果和偏差。

（2）导热膏：导热系数1.0 W/（m·K）的导热膏。

（3）测试试样：75 μm 铜箔，25.4 mm×25.4 mm。

2.2.2 测试结果及分析

测试结果见表1。理论上来说，2 种测试方案得出的结果均正确，但从表1可知，方案1测得的单层导热膏热阻抗更大。原因是方案2比方案1更符合金属基覆铜板试样的实际测试情况，方案2可尽量减少测试方法偏差，使结果更准确，因此一般情况下，采用方案2 测得的导热膏热阻抗作为试样测试参数输入。

表1 不同方法测量导热膏热阻抗的结果

2.3 导热膏特性对试样导热系数测试的影响

导热膏的作用是填充试样两表面与冷热两极接触界面间的空隙，排出空气，使接触更加严密，降低接触热阻抗。目前市面上各种型号、各种导热系数和黏度的导热膏多样，本实验选取3 款不同导热系数和不同黏度的导热膏测试对比，探讨导热膏特性对试样导热系数测试的影响。

2.3.1 测试方案

（1）目的：用不同导热膏测试同一试样的热阻抗和导热系数，分析导热膏特性对试样测试结果的影响。

（2）导热膏型号：A，标称导热系数1.2 W/（m·K）；B，标称导热系数1.0 W/（m·K）；C，标称导热系数3 W/（m·K）。

（3）测试试样：35.0 μm 铜箔，0.8 mm 铝板，66.0 μm导热绝缘层。

（4）测试步骤：测70 μm铜箔+导热膏热阻抗→测试样热阻抗和导热系数。

2.3.2 测试结果及分析

通过选用3 款不同导热系数、不同黏度的导热膏测试同一试样的热阻抗，测试结果见表2。

表2 不同导热膏特性测试同一试样导热系数的结果

（1）A导热膏黏度最小。理论上来说，在相同压力下更利于试样两表面与冷热两极接触面间的小空隙填充，以减少接触热阻抗。但该导热膏本身的热阻抗较大，整体热阻抗比试样大数倍，因此导热膏本身热阻抗测量精度会对试样测试的最终结果产生极大影响，使最终数据出现失真的情况。

（2）C 导热膏黏度最大，不利于接触面的小空隙填充，由于其本身热阻抗很小，所以试样最终测试结果偏差不大。但黏度过高不利于操作和冷热模块清洁，且因需要加大压力才能使试样和模块面更好地接触严密，对仪器损伤较大。

（3）B导热膏的黏度和本身热阻抗均较适中，操作和清洁方便，且对测试结果影响不大。因此，选用合适黏度和低热阻抗的导热膏B 有利于提升试样测试结果准确性及操作测试效率。

2.4 试样表面粗糙度对试样导热系数测试的影响

按照ASTM D5470 测试标准，只有当界面接触热阻抗非常小时（≤试样总热阻抗的1%），才能用d/R 对试样测试计算。接触热阻抗是影响测量精度的关键因素，试样表面的粗糙度直接决定了测试时接触热阻抗大小。

本实验取同一试样进行不同粗糙度处理，测试分析试样表面粗糙度对试样导热系数测试结果的影响。

2.4.1 测试方案

（1）目的：用同一试样测试表面粗糙度对导热系数测试结果的影响。

（2）导热膏：导热系数1.0 W/（m·K）的导热膏。

（3）测试试样：35 μm 铜箔，0.8 mm 铝板，66 μm导热绝缘层，25.4 mm×25.4 mm；表面状态：原始状态、600目砂纸打磨、180目砂纸打磨。

（4）测试步骤：测原始态试样粗糙度→测试样导热系数→样板表面打磨→测试样导热系数。

2.4.2 测试结果及分析

测试结果见表3。从表3中可知，同一款试样表面粗糙度增大，会使试样热阻抗增大、介质层导热系数测试减小。这是由于表面越粗糙，导热膏对小缝隙填充越困难，导热膏厚度越厚，影响热流量的传递，接触热阻抗增大，使得最终得到的热阻抗结果偏大。因此在制作金属基覆铜板试样时，应尽可能将试样表面打磨光滑，减小粗糙度，减少界面热阻抗对测试结果的影响。

表3 不同表面粗糙度试样的导热系数测试结果

2.5 试样形状和尺寸大小对试样导热系数测试的影响

LW-9389 测试仪器的标准试样尺寸为25.4 mm×25.4 mm 的正方形，用标准尺寸的试样测得的结果最为准确。但在某些情况下无法按标准尺寸制样，理论上来说，试样形状、尺寸也会影响测试结果。本实验通过对比同一型号不同形状和尺寸试样的导热系数结果，探讨试样规格对测试结果的影响。

2.5.1 测试方案

（1）目的：对比同一型号不同形状、不同尺寸试样对导热系数测试结果的影响。

（2）导热膏：导热系数1.0 W/（m·K）的导热膏。

（3）测试试样：70.0 μm 铜箔，1.5 mm 铝板，75.0 μm导热绝缘层，样品规格分别为

a-方形，25.4 mm×25.4 mm，标准试样；

b-方形，20 mm×20 mm，尺寸<标准试样；

c-圆形，Φ22.6 mm，尺寸<标准试样；

d-方形，35.4 mm×35.5 mm，尺寸>标准试样；

e-圆形，Φ40 mm，尺寸>标准试样。

2.5.2 测试结果及分析

由表4的测试结果可得，当样品尺寸<标准尺寸、面积一样的情况下，试样形状对导热系数/热阻抗测试结果影响不大，可作为不同试样的横向对比。

表4 不同形状和尺寸试样的导热系数测试结果

因软件默认的传热面积为标准尺寸面积，如试样尺寸<标准尺寸，软件最终测得的数值为试样+空气（试样面积+空气面积=模块面积），热阻抗偏大，导热系数偏小，因此该设备不适合小尺寸试样的测量。如试样尺寸>标准尺寸，在尺寸超出不多、多出区域热散失较小的情况下，测量值与标准尺寸样品基本一致。

3 结语

通过对测试参数、试样和导热膏等方面进行测试对比及分析，总结了试样测试过程中的测试压力、测试时间、导热膏热阻抗测试方法、导热膏特性、试样表面粗糙度和试样形状尺寸等对金属基覆铜板导热系数测试的影响，为金属基覆铜板导热系数测试规范提供了数据支持，以期为测试人员提供参考。