熱性能及其測(cè)量技術(shù)綜述目錄TOC\o"1-3"\h\u18461熱性能及其測(cè)量技術(shù)綜述 179911.1熱傳導(dǎo)和熱擴(kuò)散 193971.2比熱容 3138361.3抗熱沖擊 356401.4熱力學(xué)表征 41.1熱傳導(dǎo)和熱擴(kuò)散在電子封裝的熱管理材料的表征中所涉及的主要熱性能包括熱導(dǎo)率、熱擴(kuò)散率、比熱容、熱膨脹系數(shù)和抗熱振性。宏觀材料熱導(dǎo)率的精確測(cè)量和表征面臨著許多挑戰(zhàn)。例如，輸入熱量在流經(jīng)樣品時(shí)通常存在損失，并且是難以量化的。存在許多精度在5%以內(nèi)的測(cè)試方法，如穩(wěn)態(tài)技術(shù)、3ω技術(shù)和熱擴(kuò)散測(cè)量技術(shù)。如表1.2和圖1.4所示，已經(jīng)開(kāi)發(fā)出來(lái)多項(xiàng)方法和技術(shù)用來(lái)測(cè)量熱導(dǎo)率和熱擴(kuò)散率，根據(jù)熱性能和介質(zhì)溫度的不同，它們各自僅適用于有限的范圍ADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>Maglic</Author><Year>1984</Year><RecNum>72</RecNum><DisplayText><styleface="superscript">[36,37]</style></DisplayText><record><rec-number>72</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="0tdetzpzm5dtavevrs4vd2zzwzdd0aew5vdd"timestamp="1621144429">72</key></foreign-keys><ref-typename="Book">6</ref-type><contributors><authors><author>Maglic</author><author>K.,D.</author></authors></contributors><titles><title>Compendiumofthermophysicalpropertymeasurementmethods</title></titles><dates><year>1984</year></dates><publisher>Compendiumofthermophysicalpropertymeasurementmethods</publisher><urls></urls></record></Cite><Cite><Author>Magli?</Author><Year>1992</Year><RecNum>73</RecNum><record><rec-number>73</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="0tdetzpzm5dtavevrs4vd2zzwzdd0aew5vdd"timestamp="1621144460">73</key></foreign-keys><ref-typename="JournalArticle">17</ref-type><contributors><authors><author>Magli?</author><author>K.,D.</author></authors></contributors><titles><title>CompendiumofThermophysicalPropertyMeasurementMethodsVolume2RecommendedMeasurementTechniquesandPractices</title></titles><dates><year>1992</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[36,37]。表1.2熱導(dǎo)率和熱擴(kuò)散率的測(cè)量方法圖1.4典型的熱傳導(dǎo)測(cè)量技術(shù)現(xiàn)有的熱屬性測(cè)量技術(shù)可以分為兩大類：穩(wěn)態(tài)和非穩(wěn)態(tài)（或瞬態(tài)）技術(shù)，兩者之間具有一定的差異性。電導(dǎo)率的測(cè)量通常采用穩(wěn)態(tài)法（1200K以下）和脈沖法（尤其是超過(guò)1500K時(shí)）。熱擴(kuò)散率的測(cè)量，通常首選瞬態(tài)法。測(cè)量方法必須根據(jù)下列準(zhǔn)則選擇：適當(dāng)?shù)臉悠反笮『托螤?、根?jù)測(cè)量溫度范圍選擇對(duì)應(yīng)的測(cè)量方法、合適的熱導(dǎo)率范圍。穩(wěn)態(tài)技術(shù)通常包括軸流法、徑向流法、防護(hù)熱板和熱絲法，而瞬態(tài)技術(shù)最常用的方法是脈沖激光法。軸流法（如圖1.5所示）測(cè)量的關(guān)鍵在于通過(guò)安裝在樣品一端的電加熱器形成的軸向熱流，以減少?gòu)较驘崃鲹p失；對(duì)于絕對(duì)軸向熱流，多用于低溫環(huán)境下；而對(duì)于比較切欄法，廣泛使用于軸向?qū)釡y(cè)試方法。此外，防護(hù)熱板法廣泛應(yīng)用的絕緣體熱導(dǎo)率通用測(cè)量方法，適用于大尺寸樣品的測(cè)量。熱絲法標(biāo)準(zhǔn)的動(dòng)態(tài)瞬時(shí)技術(shù)，它將線性熱源（熱絲）嵌入待測(cè)材料內(nèi)，在距熱源一定距離內(nèi)測(cè)量溫度的變化。而激光脈沖法是最常見(jiàn)的瞬態(tài)熱擴(kuò)散率和熱導(dǎo)率的測(cè)量方法ADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>Gaal</Author><Year>2004</Year><RecNum>74</RecNum><DisplayText><styleface="superscript">[38]</style></DisplayText><record><rec-number>74</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="0tdetzpzm5dtavevrs4vd2zzwzdd0aew5vdd"timestamp="1621144538">74</key></foreign-keys><ref-typename="JournalArticle">17</ref-type><contributors><authors><author>Gaal,P.S.</author><author>Thermitus,M.A.</author><author>Stroe,D.E.</author></authors></contributors><titles><title>Thermalconductivitymeasurementsusingtheflashmethod</title><secondary-title>JournalofThermalAnalysisandCalorimetry</secondary-title></titles><periodical><full-title>JournalofThermalAnalysisandCalorimetry</full-title></periodical><dates><year>2004</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[38]。圖1.5軸流法示意圖1.2比熱容用來(lái)表征熱管理材料吸收熱量的能力。單位質(zhì)量材料溫度升高1℃所需要的熱量，它與熱量變化量和溫度變化量之間的關(guān)系為：c=c為比熱容；△Q為材料吸收或放出的熱能；m為物質(zhì)的質(zhì)量；△T為溫度差；如果測(cè)試過(guò)程中產(chǎn)生了相變，這個(gè)關(guān)系就不再適用了，這是因?yàn)橄嘧冞^(guò)程中吸收或放出的熱量并不會(huì)導(dǎo)致溫度的變化（表1.3為比熱容的測(cè)量方法）。表1.3比熱容的測(cè)量方法1.3抗熱沖擊溫度急劇變化所引起的熱沖擊將導(dǎo)致開(kāi)裂。當(dāng)熱梯度造成電子封裝的不同部分產(chǎn)生不同程度的膨脹時(shí)，裂紋就會(huì)產(chǎn)生（表1.4為熱沖擊測(cè)量方法）。材料的熱沖擊性能可以表示為ADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>Krupke</Author><Year>1986</Year><RecNum>75</RecNum><DisplayText><styleface="superscript">[39]</style></DisplayText><record><rec-number>75</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="0tdetzpzm5dtavevrs4vd2zzwzdd0aew5vdd"timestamp="1621144723">75</key></foreign-keys><ref-typename="JournalArticle">17</ref-type><contributors><authors><author>Krupke,W.F.</author><author>MDShinn</author><author>Marion,J.E.</author><author>Caird,J.A.</author><author>Stokowski,S.E.</author></authors></contributors><titles><title>Spectroscopic,optical,andthermomechanicalpropertiesofneodymium-andchromium-dopedgadoliniumscandiumgalliumgarnet</title><secondary-title>OpticalSocietyofAmerica,Journal,B:OpticalPhysics(ISSN0740-3224),vol.3,Jan.1986,p.102-114.</secondary-title></titles><periodical><full-title>OpticalSocietyofAmerica,Journal,B:OpticalPhysics(ISSN0740-3224),vol.3,Jan.1986,p.102-114.</full-title></periodical><pages>102-114</pages><volume>3</volume><number>1</number><dates><year>1986</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[39]：R=式中：k為熱導(dǎo)率；σ為材料的正應(yīng)力；α為熱膨脹系數(shù)；E為彈性模量；v為泊松比。采用以下途徑可以減小熱沖擊：減小電子封裝工藝過(guò)程中的熱梯度，可以緩慢改變材料溫度和提高材料熱導(dǎo)率實(shí)現(xiàn)；降低材料熱膨脹系數(shù)；增加材料強(qiáng)度；增強(qiáng)材料韌性，可以通過(guò)可塑性、相變和裂紋偏轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)。表1.4熱沖擊測(cè)量方法1.4熱力學(xué)表征為了生產(chǎn)低成本和緊湊型電子產(chǎn)品，PCB表面貼裝的高輸入/輸出的芯片載體，如多層PCB、倒裝芯片、底部填充倒裝芯片、芯片級(jí)封裝以及球柵陣列封裝，已廣泛應(yīng)用于電子封裝組件中。對(duì)于這類的電子封裝，至關(guān)重要的一個(gè)可靠性問(wèn)題是溫度改變引起的熱應(yīng)力和熱應(yīng)變。產(chǎn)生應(yīng)變的主要原因是，封裝組成材料的熱性能不匹配以及機(jī)械誘發(fā)彎曲。各種技術(shù)已用來(lái)表征電子封裝中的應(yīng)力和應(yīng)變，例如，微觀力學(xué)測(cè)試儀是為了配合緊湊的四光束云紋干涉儀的使用而開(kāi)發(fā)的；干涉儀用來(lái)評(píng)價(jià)塑料球柵陣列封裝在一定溫度范圍和四點(diǎn)彎曲下的全場(chǎng)位移。如圖1.5所示為應(yīng)力和應(yīng)變示意圖。而莫爾干涉法則測(cè)量平面位移和應(yīng)變場(chǎng)的整場(chǎng)干涉技術(shù)，具有高分辨率和高靈敏度。此外，散斑技術(shù)大量隨機(jī)相干波的自干涉而形成，可以逐點(diǎn)給出數(shù)據(jù)，其靈敏度可以調(diào)整ADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>Zimprich</Author><Year>2007</Year><RecNum>76</RecNum><DisplayText><styleface="superscript">[40]</style></DisplayText><record><rec-number>76</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="0tdetzpzm5dtavevrs4vd2zzwzdd0aew5vdd"timestamp="1621144759">76</key></foreign-keys><ref-typename="JournalArticle">17</ref-type><contributors><authors><author>Zimprich</author><author>Peter</author><author>Zagar</author><author>Bernhard</author><author>G.</author></authors></contributors><titles><title>Advancedlaserspeckletechniquescharacterizethecomplexthermomechanicalpropertiesofthinmultilayeredstructures</title><secondary-ti