任成伟，师剑军，马卫东，张 勇



铝基覆铜板导热系数测试方法改进分析

任成伟，师剑军，马卫东，张 勇

（空军工程大学 防空反导学院，陕西 西安 710051）

为方便准确地测量铝基覆铜板的导热系数，设计了一种改进的导热系数测试方法。该方法用样本试件作为参照，利用两试件随环境变化导热系数比值近似不变的原理，求出待测试件的导热系数。经过理论分析与仿真验证后，搭建了一种新的铝基覆铜板导热系数测试平台。实验结果显示，该平台有效减少了测量误差，简化了操作流程，节约了实验成本。

铝基覆铜板；导热系数；测试方法；热阻；热板；散热

铝基覆铜板凭借其高散热性、耐高温性等优势逐渐成为电子设备采用的主流基板[1]，导热系数作为表征其导热性能的物理参数之一，具有重要的理论意义和使用价值。目前，国内外对导热系数测试研究不充分，标准不统一，测试设备也很匮乏，与铝基覆铜板的生产量和对其导热系数的精度需求严重不匹配[2]。因此，本文根据铝基覆铜板的物理特性，针对传统导热系数测试方法存在的不足，提出一种样本对比法来测量其导热系数。该方法用样本试件作为参照，利用两试件随环境变化导热系数比值近似不变的原理，对待测试件的导热系数进行求解。同时在此测试方法的基础上，设计并实现了一套完整的铝基覆铜板导热系数测试平台。平台设计过程中，除测试方法外，在添加尼龙护套作保温材料、使用软件监控测试环境的温度变化等方面，都具有一定的创新性。实验发现，该平台可有效减少测量误差，提升测量精度。

1 铝基覆铜板导热系数测试原理

1.1 测试方法的分析与制定

在实际生产实践中，将测量铝基覆铜板导热系数的方法分为稳态法和瞬态法两种[3]，其典型代表分别为热板法（Hot-Plate）与TPS（Hot-Disk）法。

传统热板法见图1，是基于一维稳态导热模型建立的一种方法，原理简单，操作方便[4]。但其忽视了辐射散热、空气对流散热等各种形式的热量耗散，也没有考虑接触热阻带来的误差以及热量测量带来的误差。该方法产生的较大测量误差很难满足生产实践的精度需求，因此，许多地方有待改进。

TPS（Hot-Disk）法见图2，即瞬态平面热源法，是一种利用薄膜探针测量物体导热系数的方法[5]，具有测试速度快、重复性好、精度较高等特点。然而，相应的测试仪器价格昂贵，普及范围有限。

针对传统测试方法的不足，本文提出一种样本对比法。简单叙述如下：选取一种导热系数容易测量的材料作为样本试件，与待测铝基覆铜板分置双面电加热片两边，中间与两端分别放置均热板。在装置侧面包裹保温材料，使两试件符合一维导热假设。在每块均热板上布置两个温度传感器，并尽量保证上下对称，以间接测出两块样本试件上下表面温差。由于样本试件的导热系数已知，两者导热系数的比值亦可由试件温差和厚度两个量来求出，故可得出被测铝基覆铜板的导热系数。

该参比法借鉴TPS法的思想，将传统热板法予以改进。与传统热板法相比，无需测量热流，避免了辐射散热带来的误差；同时，边缘散热得到了很好的控制；再次，由于同一环境下导热系数比值一定，可以将诸如装置设备、温度传感器、环境等因素造成的误差大幅度降低。与TPS法相比，成本较低，能更好地被用户所接受。

1.2 原理分析及数理模型

具体的测试原理示意如图3，中间为双面加热片，向上依次为均热板、被测试件、均热板、冷却装置，上下装置对称。设置的八个测试点及各点之间的位置关系如图3所示。

图3 导热系数测试原理示意图

导热系数指单位温度梯度作用下，通过单位面积进行传递的热流量，可表示为：

式中：为接触面积，单位m2；为热量传递距离，单位m；D为温度差，单位K；为热流量，单位W。

截面积相同的两材料在同一环境、同一时间下导热系数的比值可表示为：

由于同时满足一维导热假设[6]，因此，均热板内温度与传热距离呈线性关系，可推得：

D1= (22–1) –(23–4) (3)

D2= (26–5) –(27–8) (4)

则，比例系数为：

待测铝基覆铜板的导热系数即为：

待测=已知(6)

2 影响测量误差因素及部分改进措施

本文所述的样本对比法，可能存在以下几方面影响测量误差的因素：（1）均热板尺寸导致的误差；（2）温度测量以及测试环境温度控制导致的误差；（3）样本试件导热系数标定误差；（4）测试装置及温度传感器对传热破坏引起的误差。另外，固体表面粗糙、不能完全接触，造成的接触热阻也是误差影响因素之一[7]，但因所选的样本试件与待测铝基覆铜板相近，暂将其忽略，不作考虑。

2.1 均热板结构选择

对于均热板尺寸确定的问题，本文利用有限元分析软件ANSYS分析了在稳态导热情况下均热板内的温度分布关系[8]。以圆形均热板为例，实验发现，设定均热铝板厚度较小时，沿轴向温度梯度小、分布密集，如图4所示，但均热板上下表面温差小，在实际的温度测量中将产生较大误差，很难满足测试精度的要求。故需将均热板厚度增加。

图4 均热板内温度场分布图(a)及沿轴向分布曲线(b)

当对厚度为80 mm、直径为30 mm的均热铝板进行稳态导热分析时，观察到其内部温度场并非呈线性分布，如图5所示。分析其原因，为随均热板厚度增加，侧面面积相对增大，热辐射和热对流比重增大所致。因此决定采用韧性好、抗压能力强、电绝缘性好、保温性能良好的尼龙作为侧面保温材料，并利用ANSYS重新建模、分析。其内部温度分布场图与内部沿轴向分布曲线如图6所示。可以清晰看出，内部温度场仍呈现一维分布，沿轴向温度分布几乎呈线性。同时，在轴向拥有比较理想的温度梯度，方便获取有效的温度测试数据，满足测试精度要求，所以本文铝基覆导热系数测试平台设计最终采用此种传热板结构。

图5 非大平壁均热板内沿轴向温度场分布曲线

图6 保温下均热板内部温度场布图(a)与轴向温度分布曲线(b)

2.2 温度测量与控制

为避免温度测量产生的较大误差，经过温度传感器的优劣对比，选用线性好、温度系数分散小的Pt1000作为实验用温度传感器。测温过程除设计零温度漂移恒流源外，还设计了一个可以同时测量温度和温差的测量电桥，旨在利用式（5）的两种表示形式完成两种温度测量方案，再求取平均值，从而减小温度测量误差。零温度漂移恒流源和测温（差）电桥原理图分别如图7和图8。

图7 零温度漂移恒流源

图8 测温(差)电桥原理图

3 测试平台设计

依据前文所述测试原理，设计并实现了一种与之相应的铝基覆铜板导热系数测试平台[9]。整个平台的设计分机械结构、数据采控与处理、应用软件三个部分，该测试平台三维立体图如图9显示，机械结构包括双面电加热片、均热板、尼龙护套、冷却装置以及支撑装置等部件；数据采控与处理部分包括单片机、测温、测压电路、步进电机、数据存储、液晶显示等模块，见图10。测试软件主要由C#语言编译[10]。该软件以实现安全的可操作性与良好的人机互动为目的，不仅设置信息录入、设定控制等必要模块，还增加实时监测与温度曲线模块，使操作者可以获得准确结果的同时，较直观地了解整个测试过程，见图11。

图9 测试平台三维图

图10 平台数据采集部分实物图

图11 软件设定控制模块

铝基覆铜板导热系数的简化测试步骤为：（1）完成软、硬件调试；（2）将已知样本试件与待测铝基覆铜板上下表面涂抹导热油脂后水平放入测试位置；（3）平台各功能模块初始化，录入必要信息；（4）启动加热、制冷、压力装置；（5）待稳态后记录测试数据（软件界面显示实时温度、压力，并且每10 s更新一次，当10次温度数据的收敛方差小于0.1时认为达到稳态）；（6）设定不同温度、压力值，重复测试。

4 测试结果与分析

采用此设计平台，取304不锈钢作为提供对比的样本试件（样本试件的导热系数过小，受测量误差影响较大，样本试件的导热系数过大，所测试件的导热系数变化不明显，所以选导热系数为铝基覆铜板的10~20倍的304不锈钢作为样本试件）；设定温度为50 ℃（50 ℃时304不锈钢的导热系数为16.2 W/m）；压力为0.69 MPa；分别对三块铝基覆铜板进行了导热系数的测试（实验所采用的被测试样都是由全国印制电路标准化技术委员会所提供），得到表1实验数据。

表1 铝基覆铜板实验数据

Tab.1 The experimental data of aluminum based copper clad laminate

表1中，为单位面积的接触热阻；a为计算的铝基覆铜板被测试件的导热系数；b为利用此平台，采用传统热板法所得到的导热系数；c为厂家提供的导热系数参考值。

可以看出，采用样本对比法测得的三组试件的导热系数与厂家提供的参考值相差很小，误差均不大于3%。而采用传统热板法测得的三组试件的导热系数与厂家提供的参考值相差较大，误差达6%左右。此外，在不同的测试标准下，通过设置不同的温度和压力值，测量了不同厚度的试样的导热系数。测试结果显示，利用此次设计的测试平台获得的测试结果都能够满足实际的测试要求，误差均在3%左右；而且，实验结果表现出良好的一致性。同时，测试速度快，耗时短。据相关资料统计，现有的测量铝基覆铜板导热系数技术的测量误差均在5%左右。可以看出，此次设计的测试平台有效地提升了测试精度，对于准确评估铝基覆铜板的导热性能有着积极的作用。

5 总结

本文所提的样本对比法，减小了因辐射散热、边缘散热引起的热量测量误差，提高了铝基覆铜板导热系数的测量精度。同时，将导热系数测试过程中容易产生误差的主要因素，由热量测量转为样本试件标定的导热系数精度，从理论上缩小了误差范围。平台设计过程中，尼龙护套的采用及软硬件的配套使用，不仅有效减少了测量误差，还简化了实验人员的操作，节约了实验设备的成本。从测试结果也可以清晰地对比出，该方法较传统导热系数测试方法有了明显的改进。因此，本文的实验对以后该领域的研究具有一定借鉴意义。

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（编辑：陈渝生）

Improved analysis on test approach of aluminum based copper clad laminate thermal conductivity

REN Chengwei, SHI Jianjun, MA Weidong, ZHANG Yong

(The Missile Institute of Air Force Engineering University, Xi’an 710051, China)

To measure easily and accurately the heat conduction parameter of aluminum base copper clad laminate, an improved heat conduction parameter measurement approach was designed. This approach took a sample as a reference, the heat conduction parameter of a PCB was calculated based on the theory that the heat conduction parameter proportion between two PCBs were nearly same. A novel aluminum base copper clad laminate test platform was constructed through theory analysis and simulation validation. The experiment results reveal that this platform can reduce measurement error effectively, simplify the operation process, and save the cost of experiments.

aluminum based copper clad laminate; thermal conductivity; test method; hot resistance; hot plate; hot dissipation

10.14106/j.cnki.1001-2028.2017.01.016

TP332.2

A

1001-2028（2017）01-0080-05

2016-10-28

师剑军

师剑军（1966－），男，河南安阳人，副教授，主要从事检测技术与自动化研究，E-mail: m13152170357@163.com；

任成伟（1993－），男，山西吕梁人，研究生，主要从事现代检测技术的研究，E-mail: m13152170357@163.com。

http://www.cnki.net/kcms/detail/51.1241.TN.20161230.1024.015.html

网络出版时间：2016-12-30 10:24:32