基于方波脈沖源熱反射法同步表征熱界面材料中壓力依賴的體材料與界面熱學性能

論文信息：

Tao Chen, Bingjia Xiao, Xin Qian, Puqing Jiang, Simultaneous measurement of pressure-dependent bulk and interfacial thermal properties in thermal interface materials using square-pulsed source thermoreflectance, arXiv：2603.22733 [physics.app-ph]

論文鏈接：

https://arxiv.org/abs/2603.22733

Part.1

研究背景

隨著電力電子設備中的功率密度持續增加，熱管理越來越不僅受限于散熱器和均熱板，還受限于從發熱器件到外部冷卻結構的熱流路徑上的熱阻。因此，熱界面材料（TIMs）被廣泛引入。

對于一個已粘接的 TIM 層，其熱性能至少由三個參數決定：TIM 體材料的熱導率(k)、該層的體積熱容(C)，以及接觸表面處的界面熱阻（ITR）。在實際組裝條件下，TIM 的特性并不總是本征常數。先前的研究表明，TIM 接頭的總熱導率可能會隨著夾緊壓力的增加而顯著提高 。

現有的主流TIM測試方法（如穩態標準ASTM D5470、瞬態LFA、高頻TDTR等）都存在明顯缺陷。由于缺乏能同時測量這三個參數并追蹤其隨壓力歷史演變的實驗手段，導致對TIM在真實受壓條件下的行為理解嚴重不足。

方波脈沖源（SPS）熱反射技術為解決這個問題提供了機會。在 SPS 中，泵浦光束被一個占空比為50%的方波調制，其頻率范圍異常寬廣，從1HZ到10MHZ，并且時間分辨的熱反射響應通過傳熱模型進行解釋。能夠在單個實驗框架內獲取不同時間尺度的熱存儲、熱擴散和界面傳熱信息。然而，其在壓力可控的 TIM 組件（其中體材料和界面特性共同演變）中的應用能力尚未得到證實。

論文針對三個知識空白：缺乏能同時解析 TIM 組件中k、C和 ITR 的單一瞬態方法；對這些參數如何隨壓力和加載歷史演變的了解有限；以及 TIM 特性表征與決定電子封裝性能的熱過程之間的聯系不足。研究將 SPS 熱反射法與一個壓力可控的樣品平臺相結合，并研究了三種具有代表性的 TIM 類別：一種導熱凝膠、一種導熱墊片和一種高真空脂。

這項工作旨在為表征實際熱管理系統中使用的 TIM 組件的狀態依賴熱傳輸，建立一條與設計相關的路徑。

Part.2

研究內容

實驗裝置的示意圖如圖 1(a) 所示。泵浦激光經鎖相放大器進行方波調制，以周期性地加熱樣品表面，同時反射的探針光束被光電探測器收集。鎖相放大器的周期波形分析儀（PWA）模塊記錄一個調制周期內隨時間變化的電壓響應。泵浦光強的相應時間分布如圖 1(b) 所示。為了在壓縮狀態下進行測量，SPS 與一個壓力可控平臺進行了集成，如圖 1(c) 所示。

圖 1壓縮狀態下方波脈沖源（SPS）熱反射技術的實驗配置(a) SPS 泵浦-探針系統的光路設置(b) 一個調制周期內探針、泵浦和反射探針信號的示意性時間分布(c) 用于 TIM 測量的壓力可控樣品臺，其中通過一個彈簧加載裝置將鍍鋁透明基板壓靠在 TIM 上

首先采用差分測量策略來表征參考的玻璃/Al/空氣結構。通過同時擬合在三個頻率下測得的信號，確定了玻璃基板的熱導率和體積熱容，以及 Al 薄膜的熱導率。隨后，考慮了導熱凝膠在 0.16 MPa 下的一個代表性案例，以說明 SPS 如何對 Al/TIM 系統的熱導率、體積熱容和界面熱阻進行解耦。測量使用了相同的 12.2 μm 激光光斑半徑和相同的三個調制頻率。相應的歸一化振幅信號如圖 2(a-c) 所示，相關的靈敏度系數則繪制于圖 2(d-f) 中。

圖 2導熱凝膠在 0.16 MPa 下的代表性 SPS 測量與靈敏度分析。(a-c) 在激光光斑半徑為 12.2 μm、調制頻率分別為 1 MHz、100 kHz 和 4 kHz 下測得的歸一化振幅信號。符號為實驗數據，實線為模型擬合結果；插圖中展示了對應的全周期瞬態響應(d-f) 對 TIM 熱導率（kTIMkTIM）、體積熱容（CTIMCTIM）和界面熱阻（ITR）的靈敏度系數

圖 3 總結了 RS382 導熱凝膠在加載和卸載過程中隨壓力變化的熱行為。在加載過程中可以觀察到三個明顯的趨勢：熱導率隨壓力增加而增加，體積熱容也隨壓力增加而增加，而界面熱阻則隨壓力增加而降低。這些結果表明，壓縮同時增強了體材料和界面的熱傳輸。

圖 3導熱凝膠在加載和卸載過程中的壓力依賴熱特性。(a) 熱導率 k(b) 體積熱容 C(c) 鋁與TIM之間的界面熱阻 (ITR)帶誤差棒的符號為 SPS 測量結果，實線為壓力依賴的多孔介質/接觸模型的擬合曲線。(d) 反演得到的孔隙率 ? 演化

圖4總結了該商用導熱墊片在加載和卸載過程中的熱特性。與凝膠的情況一樣，k、C 和 ITR 均隨壓力強烈變化。然而，其背后的物理解釋有所不同，因為該墊片更適合被視為一種高柔順性的填充復合材料，而非一種簡單的多孔凝膠。

圖 4導熱墊片在加載和卸載過程中的壓力依賴熱特性。(a) 熱導率 k(b) 體積熱容 C(c) 鋁與TIM之間的界面熱阻 (ITR)。帶誤差棒的符號為 SPS 測量結果，實線為簡化壓縮狀態/接觸導熱模型的擬合曲線。藍色表示加載過程，紅色表示卸載過程

高真空脂表現出一種截然不同的行為，如圖5所總結。與導熱凝膠和導熱墊片不同，在所研究的壓力范圍內，該油脂的體材料熱導率和體積熱容幾乎沒有可測量的壓力依賴性。如圖5(a)所示，提取出的熱導率大致保持在約0.15 W/(m·K)的恒定值，這與制造商報告的0.19 W/(m·K)數值合理吻合。類似地，圖5(b)顯示，體積熱容保持在約0.65-0.70 MJ/(m3·K)的狹窄范圍內，其變化幅度與實驗不確定度相當。如圖5(c)所示，Al-TIM界面熱阻隨壓力增加而顯著降低，從低壓時的0.08 m2·K/W降至最高壓力時的0.03 m2·K/W。這種強烈的壓力依賴性表明，油脂熱性能的改善主要源于界面處潤濕性和間隙填充的增強。隨著載荷增加，油脂被更有效地擠壓進入表面粗糙峰的凹陷處和殘余空隙中，從而減少了局部間隙，增加了界面上的有效傳熱面積。

圖 5高真空脂的壓力依賴熱特性(a) k(b) C(c) Al-TIM 界面熱阻（ITR）。帶有誤差棒的符號為 SPS 測量值，實線為擬合趨勢線

Part.3

研究總結

論文提出的方波脈沖源（SPS）熱反射法，可在壓縮載荷下同時測量熱界面材料（TIM）的熱導率（k）、體積熱容（C）和界面熱阻（ITR），無需事先假定 C 值。通過對導熱凝膠、墊片和高真空硅脂的加載-卸載實驗發現：凝膠和墊片的 k、C 和 ITR 均隨壓力顯著變化且存在明顯滯后，表明體材料狀態與界面貼合發生了不可逆演變；而硅脂僅 ITR 隨壓力降低，k 和 C 幾乎不變，呈現界面主導的響應。結論表明，TIM 在實際組裝中是受壓力和加載歷史控制的狀態依賴量，其準確表征需同時考慮三個參數，并為預壓縮設計和界面優化提供了直接指導。

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