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导热系数/热阻发布时间:2016-03-01 14:31:21


众所周知,随着温度升高,电子器件可靠性和寿命将呈指数规律下降。对于LED产品和器件来说,选用导热系数和热阻尽可能小的原材料是改善产品散热状况、提高产品可靠性的关键环节之一。在LED产品中,经常会使用到大量的导热电绝缘界面材料,而由于导热材料本身质量参差不齐,同时,由于各家使用的测试设备和测试方法不同,经常导致同一产品测得的热阻或导热系数出入较大,造成实际使用中经常出现纠纷、数据误解、造假等乱象。鉴于此,金鉴LED品质实验室专门推出“导热系数鉴定”的业务,通过金鉴实验室特定检测设备和标准规范LED市场,逐渐形成统一标准,给出可参考的LED导热材料热阻或导热系数值。


服务客户:PCB、MCPCB板生产厂商,陶瓷基板生产商,导热膏、导热片和导热类塑料生产商,金属散热器生产商,LED灯具厂,LED照明厂


金鉴导热系数/热阻鉴定具有以下几大优势:

1.统一检测标准:由于各家使用的测试设备和测试方法不同,经常导致同一产品测得的热阻或导热系数出入较大,造成实际使用中经常出现纠纷、数据误解、造假等乱象。金鉴通过特定的检测设备和标准规范LED市场,逐渐形成统一标准,给出大众认可、极具参考性的LED导热材料热阻或导热系数值。


2.为价格比较提供数据支撑:以铝基板为例,不同产品导热系数的高低直接决定了其价格的高低,1W/m•K和2W/m•K的材料价格可以相差近一倍。然而由于各检测设备和测试方法不同,有的采用基板的整个厚度作计算,有的以绝缘层厚度作计算,在产品甄选时极易导致导热系数的比较出现造假、误解等乱象,金鉴LED品质实验室拥有业内最高端和稳定的材料导热系数/热阻测试设备,引用业内目前最公认的测试标准,对测试结果附以详细的解释说明,为客户在产品甄选时提供最有力的数据支撑。


3.结果公正、数据可查:金鉴LED品质实验室通过了CMA等资质认定,也是全世界范围内唯一一家推出导热系数/热阻鉴定的公司,检测结果和数据绝对公正可信,并可以在金鉴实验室的官方网站 www.gmatg.com查询。


关键词定义:阻:热量在热流路径上传递时遇到的阻力,反映介质或介质间的传热能力的大小,表明了1W的热量在1m2的面积内所引起的温升大小,单位为m2K/W或m2℃/W。导热系数:在稳定传热条件下,1m厚的材料,上下两侧表面的温差为1度(K,°C),在1秒内,通过1m2面积传递的热量,用λ表示,单位为瓦/米•开尔文(W/m•K),此处K可用°C代替。(注意摄氏度和开尔文仅在温标表示上有所区别,在表示温差的量值意义上等价,因此这些单位中的℃和K可以任意互相替换。)

                                                                            

检测方法

针对导热硅胶片、导热硅脂、硅胶布、相变材料、铝基板、覆铜基板(导热系数0.05W/mK--20.00W/mK),选择稳态热流法;针对金属、合金等均匀的、各向同性高导热的固体材料,选择激光闪射法。


检测标准
稳态热流法: ASTM D5470;  激光闪射法:ASTM E1461


稳态热流法测试原理:

稳态热流法是基于测试两平行等温界面中厚度均匀试样的理想热传导。试样两接触界面间施加不同温度,使得试样上下两面形成温度梯度,促使热流量全部垂直穿过试样测试表面而没有侧面的热扩散。测试方法:将厚度一定的方形样品插入于两热等温的平行表面之间,热梯度通过两接触面的温度差施加在试样上,导致热流从试样通过,热流垂直且均衡的穿过测试表面,同时确保无横向热传输。设备通过侦测出流过试样的热流量及热端面和冷端面的温度,推算出试样的热阻及导热系数。


样品尺寸:正方形:26mm×26mm,厚度<5mm;

测试标准:ASTM D 5470-06

测试项目:导热系数、热阻
测试范围热阻>0.01℃▪cm²/W,热传导系数<20W/m℃,适用于低导热材料;可控制材料之受热面温度或冷却面温度,分析材料在不同温度下的热阻,不同压力及加热功率的热阻测试,可作材料于长期反复加热之寿命试验。

测试温度:室温 to 180℃
测试类别硅胶、硅橡胶、导热树脂、固体绝缘材料、导热膏、导热片、导热胶、界面材料、相变化材料、玻璃、陶瓷、氧化铝瓷、氧化铍瓷、金属、基板、铝基板、覆铜基板、软板导热硅胶、导热灌封胶、导热双面胶、导热绝缘垫片、铝箔散热膜、铜箔散热膜、铝制散热片、天然石墨膜、人工石墨膜、纳米碳散热膜、导热塑料、导热陶瓷、导热相变材料、石墨烯散热膜等低导热材料。检测材料为固态片状,加围框可检测粉状态材料及膏状材料。



激光散射法测试原理:

激光散射法是使用脉冲激光照射到试样的一个表面,然后通过红外线测温器监控另一表面的温度变化情况。激光闪射法测量材料导热系数的原理是根据导热系数K与热扩散系数A、比热容c和体积密度Q三者之间的关系,如下式给出,首先测出试样的体积密度Q,然后分别或者同时测量出材料的热扩散系数A和比热容c,则根据下式即可计算出材料的导热系数。

激光闪射法的物理模型是,如果能量为Q的激光脉冲被一圆片状试样(厚度为L)的正面吸收,同时试样及激光脉冲应满足以下条件:1、热量在试样内是一维热流;2、试样表面没有热损失;3、激光脉冲能量被试样正面均匀吸收;4、激光脉冲宽度足够;5、激光脉冲能量的吸收仅在正面很小的厚度内发生;6、试样是均匀不透光的;7、试验条件下,温度保持恒定。当测试过程满足以上条件时,那么在试样内热量的传输可认为是一维热流。因此,由激光脉冲瞬间辐射而引起背面的温度变化及分布可用简化的数学方法进行描述和计算。


测试介绍

激光头位于仪器下部位,样品放置在管状炉体中央的样品支架上。不同类型的炉子可达到的最高测试温度不同,最高可达1000℃(石墨炉体)。用InSb检测器测量样品背部的温升,该检测器位于系统的顶部。仪器的垂直结构确保了良好的信噪比与样品形状的灵活性。应用激光闪射法时,样品在炉体中被加热到所需的测试温度。随后,由激光器产生的一束短促激光脉冲对样品的前表面进行加热。热量在样品中扩散,使样品背部的温度上升。用红外探测器测量温度随时间上升的关系。

样品尺寸:圆柱的片状:直径12.7mm±0.1mm,厚度:0.5mm~4mm。

测试标准:ASTM E1461

测试项目:导热系数、热扩散系数、比热容

导热系数范围:0.1~2000W/m·K

测试温度:室温 to 1000°C

测试类别:金属、合金、塑料、陶瓷、橡胶、粉末、纤维(需压片)等均匀、各向同性的固体材料的导热性能,导热系数最高可以测试2000W/m·K。


金鉴实验室应用举例

案例1:LED铝基板

LED铝基板的导热系数和基板中间的绝缘层有关,因此,测试铝基板的导热系数,实际上是测量绝缘层的导热系数,在测试过程中要涉及到切片用扫描电镜测量绝缘层的厚度,在通过计算公式得出绝缘层的厚度。下面这个导热系数认证案例,金鉴测得基板的总热阻为0.72℃·cm2/W。取送测基板,制作切片样品,扫描电镜SEM测得基板厚度约1232.14μm,绝缘层厚度约132.60μm,通过计算得出绝缘层导热系数1.851W/m·℃,此数值也为该铝基板的导热系数。


基板样品

               扫描电镜测试基板总厚度                                扫描电镜测试绝缘层厚度


测试结果表1


案例2:导热膏

客户送测A、B两款导热膏样品,要求于热面温度为80℃状态下,对两款导热膏样品进行导热系数对比测试。测试中,采用如下图所示的治具,控制样品分别在0.1mm,0.2mm,0.3mm厚度,分别测试样品在三种厚度下的热阻,从而可以在以厚度为横坐标、热阻值为纵坐标的坐标系中拟合出一条直线,直线的斜率的倒数即为导热膏样品的导热系数。


图5  导热膏厚度限定治具-金鉴检测

     导热膏厚度限定治具



A、B两款导热膏测试结果

由A、B两款导热膏测试结果对比表可知,样品A导热系数优于样品B,测试结果一目了然。


案例分析3

某LED公司在研发某款新产品时,委托金鉴对氮化铝陶瓷基板做导热系数鉴定测试。测试结果满足客户开发的新产品要求的各项指标,最终客户选用这款基板作为散热基板。


测试样品

检测条件:环境温度:23±2℃; 湿度:50±5%R.H;

检测标准:ASTM E1461用闪光法测定热扩散率的标准试验方法


测试结果


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