TPS导热系数测量方法：瞬态平面热源技术(Transient Plane Source Method, TPS)

向欣电子 2021-12-08 4454

描述

导语：5G时代巨大数据流量对于通讯终端的芯片、天线等部件提出了更高的要求，器件功耗大幅提升的同时，引起了这些部位发热量的急剧增加。BN氮化硼散热膜是当前5G射频芯片、毫米波天线、无线充电、无线传输、IGBT、印刷线路板、AI、物联网等领域最为有效的散热材料，具有不可替代性。

本产品是国内首创自主研发的高质量二维氮化硼纳米片，成功制备了大面积、厚度可控的二维氮化硼散热膜，具有透电磁波、高导热、高柔性、低介电系数、低介电损耗等多种优异特性,解决了当前我国电子封装及热管理领域面临的“卡脖子”问题，拥有国际先进的热管理TIM解决方案及相关材料生产技术，是国内低维材料技术领域顶尖的创新型高科技产品。

瞬态平面热源技术(Transient Plane Source Method, TPS 测量导热系数的一种方法

一

定义

瞬态平面热源技术(Transient Plane Source Method, TPS)用于测量导热系数的一种方法，是由瑞典Chalmer理工大学的Silas Gustafsson教授在热线法的基础上发展起来的一项专利技术。

在研究材料时能够同时测量热导率、热扩散率以及单位体积的热容。这种方法采用一个瞬间热平面探头，在大多数应用中被称之为Hot Disk热常数分析仪。瞬态平面热源技术在国内正在被越来越多地研究人员应用于各种不同类型材料的热物性的测试。

二

原理

瞬态平面热源法测定材料热物性的原理是基于无限大介质中阶跃加热的圆盘形热源产生的瞬态温度响应。利用热阻性材料做成一个平面的探头，同时作为热源和温度传感器。镍的热阻系数——温度和电阻的关系呈线性关系，即通过了解电阻的变化可以知道热量的损失，从而反映样品的导热性能。Hotdisk探头采用导电金属镍经刻蚀处理后形成的连续双螺旋结构的薄片，外层为双层的聚酰亚胺(Kapton)保护层，厚度只有0．025mm，它令探头具有一定的机械强度并保持与样品之间的电绝缘性。在测试过程中，探头被放置于中间进行测试。电流通过镍时，产生一定的温度上升，产生的热量同时向探头两侧的样品进行扩散，热扩散的速度依赖于材料的热传导特性。通过记录温度与探头的响应时间，由数学模型可以直接得到导热系数和热扩散率，两者的比值得到体积比热。

初始测试时，在Kapton涂层上会产生很小的温度下降，经过很短的，由于输出功率是恒定的，温度的下降将保持恒定。探头的电阻变化可用下式表示。

R(t)=Ro[1+α△Ti+α△T(τ)] (1)

其中

Ro：探头在瞬间记录前的电阻；

α：电阻温度系数（TCR）；

△Ti：薄膜保护层中的温差（由于保护层非常薄，在很短时间内可以把△Ti看作是定值）；

△T(τ)：与试样处于理想完全接触时探头平均温升。

而△T(τ)可以表示为：

△T(τ)=QD(τ)/(λroπ^3/2) (2)

其中：

Q：恒定输出功率；

ro：探头半径；

λ：被测样品导热系数，即我们要求的值；

D(τ)：无因此时间函数。

假设R*=Ro(1+α△Ti), K=αRoQ/(λroπ^3/2)，将(2)式代入(1)式得：

R(t)=R* + K D(τ) (3)

将测得的电阻值R(t)对D(τ) 作图得到一条直线，截距是C。通过反复变换特征时间θ拟合，使R(t)对D(τ)的得直线相关性达到最大，此时导热系数便可以由直线的斜率K计算得出。

三

HOTDISK 设备TPS测试

Hot Disk技术

现有的瞬态平面热源(TPS)方法可以在一次测量中快速、准确、无损地检测大多数材料的导热系数、热扩散系数和比热容。导热系数和热扩散系数是直接测定的，而比热是通过前两个结果计算得出。

TPS方法的一个关键是它是绝对的方法，不需要重复校准或使用标准样品。它是高度灵活的，只需要一到两件样品来测试，每件仅需要一个适用于Hot Disk双螺旋传感器的平面。利用Hot Disk热导仪，样品可以按原样进行测试，不需要固定的样品几何形状，接触剂或表面修改。

什么是5G?

一

定义

“5G”一词通常用于指代第5代移动网络。5G是继之前的标准（1G、2G、3G、4G 网络）之后的最新全球无线标准，并为数据密集型应用提供更高的带宽。除其他好处外，5G有助于建立一个新的、更强大的网络，该网络能够支持通常被称为 IoT 或“物联网”的设备爆炸式增长的连接——该网络不仅可以连接人们通常使用的端点，还可以连接一系列新设备，包括各种家用物品和机器。

公认的5G优势是：

•具有更高可用性和容量的更可靠的网络

•更高的峰值数据速度（多Gbps）

•超低延迟

与前几代网络不同，5G网络利用在26GHz 至40GHz范围内运行的高频波长（通常称为毫米波）。由于干扰建筑物、树木甚至雨等物体，在这些高频下会遇到传输损耗，因此需要更高功率和更高效的电源。

5G部署最初可能会以增强型移动宽带应用为中心，满足以人为中心的多媒体内容、服务和数据接入需求。增强型移动宽带用例将包括全新的应用领域、性能提升的需求和日益无缝的用户体验，超越现有移动宽带应用所支持的水平。

二

毫米波是关键技术

毫米波通信是未来无线移动通信重要发展方向之一，目前已经在大规模天线技术、低比特量化ADC、低复杂度信道估计技术、功放非线性失真等关键技术上有了明显研究进展。但是随着新一代无线通信对无线宽带通信网络提出新的长距离、高移动、更大传输速率的军用、民用特殊应用场景的需求，针对毫米波无线通信的理论研究与系统设计面临重大挑战，开展面向长距离、高移动毫米波无线宽带系统的基础理论和关键技术研究，已经成为新一代宽带移动通信最具潜力的研究方向之一。

毫米波的优势：毫米波由于其频率高、波长短，具有如下特点：

频谱宽，配合各种多址复用技术的使用可以极大提升信道容量，适用于高速多媒体传输业务；可靠性高，较高的频率使其受干扰很少，能较好抵抗雨水天气的影响，提供稳定的传输信道；方向性好，毫米波受空气中各种悬浮颗粒物的吸收较大，使得传输波束较窄，增大了窃听难度，适合短距离点对点通信；波长极短，所需的天线尺寸很小，易于在较小的空间内集成大规模天线阵。

毫米波的缺点：毫米波也有一个主要缺点，那就是不容易穿过建筑物或者障碍物，并且可以被叶子和雨水吸收，对材料非常敏感。这也是为什么5G网络将会采用小基站的方式来加强传统的蜂窝塔。

什么是TIM热管理?

定义

热管理？顾名思义，就是对“热“进行管理，英文是：Thermal Management。热管理系统广泛应用于国民经济以及国防等各个领域，控制着系统中热的分散、存储与转换。先进的热管理材料构成了热管理系统的物质基础，而热传导率则是所有热管理材料的核心技术指标。

导热率，又称导热系数，反映物质的热传导能力，按傅立叶定律，其定义为单位温度梯度（在1m长度内温度降低1K）在单位时间内经单位导热面所传递的热量。热导率大，表示物体是优良的热导体；而热导率小的是热的不良导体或为热绝缘体。

5G手机以及硬件终端产品的小型化、集成化和多功能化，毫米波穿透力差，电子设备和许多其他高功率系统的性能和可靠性受到散热问题的严重威胁。要解决这个问题，散热材料必须在导热性、厚度、灵活性和坚固性方面获得更好的性能，以匹配散热系统的复杂性和高度集成性。

一

5G时代高功率、高集成、高热量趋势明显，热管理成为智能手机“硬需求”

一代通信技术，一代手机形态，一代热管理方案。通信技术的演进，会持续引发移动互联网应用场景的变革，并推动手机芯片和元器件性能快速提升。但与此同时，电子器件发热量迅速增加，对手机可靠性和移动互联网发展带来了严峻挑战。从4G时代进入5G时代，智能手机芯片性能、数据传输速率、射频模组等都有着巨大提升，无线充电、NFC等功能逐渐成为标配，手机散热压力持续增长。5G手机散热的主流方案，高导热材料、并加速向超薄化、结构简单化和低成本方向发展，技术迭代正在加速进行。未来随着5G终端产品进一步放量，TIM市场增长潜力巨大。

2020年，5G技术迈向全面普及，消费电子产品向高功率、高集成、轻薄化和智能化方向加速发展。由于集成度、功率密度和组装密度等指标持续上升，5G时代电子器件在性能不断提升的同时，工作功耗和发热量急遽升高。据统计，电子器件因热集中引起的材料失效占总失效率的65-80%。为避免过热带来的器件失效，导热硅脂、导热凝胶、石墨导热片、热管和均热板（VC）等技术相继出现、持续演进，散热管理已经成为5G时代电子器件的“硬需求”。

（一）智能手机功耗持续提升，散热需求水涨船高4G时代，智能手机数据传输速度和处理能力相比2G、3G时代有显著提升，AR、高清视频、直播等应用场景加速落地，人们对手机性能的要求越来越高，推动手机硬件配置快速迭代。但与此同时，智能手机发热的问题也越来越严重，手机发烫、卡顿和死机时有发生，严重时甚至会导致主板烧坏乃至爆炸。

根据EUCNC数据，LTE智能手机功耗主要来源于功率放大器、应用处理器、屏幕和背光、信号收发器和基带处理器。随着消费电子产品向高集成、轻薄化和智能化方向发展，芯片和元器件体积不断缩小，功率密度却在快速增加，智能手机的散热需求成为亟需解决的问题：

（1）芯片性能更高，四核、八核成为主流；

（2）柔性显示、全面屏逐渐普及，2K/4K屏占领高端市场；

（3）内置更多无线功能，例如NFC、GPS、蓝牙和无线充电；

（4）机身越来越薄，封装密度越来越高。表1 手机主要热量来源

随着5G技术逐渐走向成熟，智能手机对散热管理的需求再次大幅提升，主要表现为以下几方面：（1）5G手机射频前端支持的频段数量大幅增加，需采用Massive MIMO技术以增强信号接收能力，天线数量和射频器件数量远超4G手机；（2）5G手机芯片处理能力有望达到4G手机的5倍以上，手机发热密度绝对值将是4G手机的2倍以上；（3）5G信号穿透能力变弱，手机机身材质逐渐向陶瓷和聚合物转变，加之5G手机越来越紧凑，导致散热能力越来越弱。 （二）5G来袭发热量剧增，散热需求进一步凸显通信制式及手机支持频率

表2 射频前端价值对比测量

此外，5G手机普遍采用基带外挂的方案，相关电路和电源芯片也要增加，手机内部功耗相应增加；由于5G覆盖范围不足，导致手机频繁启动5G信号搜索功能，发热量也会变大。试验证明，温度每升高2℃，电子元器件可靠性将下降10%，其在50℃环境下的寿命只有25℃的 1/6。由此可见，散热器件是5G手机中不能省掉、必不可少的环节。 （三）散热解决方案多样，导热材料器件频频现身一般而言，电子器件散热有主动散热（降低手机自发热量）和被动散热（加快热量向外散出）两种路线。其中，主动散热主要利用与发热体无关的动力元件强制散热，一般应用于高功率密度且体积相对较大的电子设备，如台式机和笔记本中配备的风扇、数据中心服务器的液冷散热；被动散热则主要通过导热材料和导热器件将元器件产生的热量释放到环境中，是一种没有动力元件参与的散热方式，广泛应用于手机、平板、智能手表、户外基站等。表3 热量传递方式及相关散热解决方案

电子器件散热过程示意图

目前，电子器件使用的散热技术主要包括石墨散热、金属背板、边框散热、导热凝胶散热等导热材料，以及热管、VC等导热器件。其中，导热凝胶、导热硅脂、石墨片和金属片主要在中小型电子产品使用，热管和VC则主要用在笔记本、电脑、服务器等中大型电子设备中使用。

主要导热材料

导热系数和厚度是评估散热材料的核心指标。传统手机散热材料以石墨片和导热凝胶等热界面材料（TIM）为主，但是石墨片存在导热系数相对较低，TIM材料则存在厚度相对较大等问题。在手机厂商的推动下，石墨烯材料持续取得突破，开始切入到消费电子散热应用；热管和VC厚度不断降低，开始从电脑、服务器等领域渗透到智能手机领域。

不同散热材料/器件的导热效率 2019年12月，OPPO在新发布的Reno3 Pro 5G手机中，采用了“VC液冷散热+多层石墨片覆盖”的立体液冷散热系统。其中，定制版柔性屏上覆盖了一层铜箔和双层石墨片，将屏幕的热能均匀传导出去。导热凝胶将处理器附近的热能传导至VC，并通过VC内的液体进行热传导和降温。中框及电池盖均覆盖了3层石墨片，进一步加强散热。

OPPOReno 3 Pro散热模组示意图

二

热管/均热板解决方案优势显著，超薄均热板技术迭代进一步加速

热管和均热板利用热传导与致冷介质的快速热传递性质，导热系数较金属和石墨材料有10倍以上提升，作为新兴的散热技术方案，近年来在智能手机领域开始获得广泛应用。其中，热管的导热系数范围为10000~100000 W/mK，是纯铜膜的20倍，是多层石墨膜10倍；均热板作为热管技术的升级，进一步实现了导热系数的提升。

TGP（Thermal Ground Plane），扁式热管

三

氮化硼膜材特点：高导热、低介电、绝缘、透波、抗电压、柔性

六方氮化硼（h-BN）这种二维结构材料，名白石墨烯，看上去像著名的石墨烯材料一样，仅有一个原子厚度。但是两者很大的区别是六方氮化硼是一种天然绝缘体而石墨烯是一种完美的导体。与石墨烯不同的是，h-BN的导热性能很好，可以量化为声子形式（从技术层面上讲，一个声子即是一组原子中的一个准粒子）。

有材料专家说道：“使用氮化硼去控制热流看上去很值得深入研究。我们希望所有的电子器件都可以尽可能快速有效地散射。而其中的缺点之一，尤其是在对于组装在基底上的层状材料来说，热量在其中某个方向上沿着传导平面散失很快，而层之间散热效果不好，多层堆积的石墨烯即是如此。”与石墨中的六角碳网相似，六方氮化硼中氮和硼也组成六角网状层面，互相重叠，构成晶体。晶体与石墨相似，具有反磁性及很高的异向性，晶体参数两者也颇为相近。