本文介紹激光導(dǎo)熱儀

微納電子器件和光電器件向著模塊化、集成化、高頻化及小型化的方向不斷邁進，使其單位面積上的熱通量急劇增加，溫度的劇增嚴重影響了器件的可靠性和使用壽命。‘heat death-熱死’問題也成為半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展前進中的巨大障礙。為了避免電子器件的熱失控問題，目前主要采用各種熱界面材料來提升散熱能力【物理學(xué)報， 2023， 72（23）： 234401.】。熱界面材料（Thermal interface materials）是一種用于輔助散熱的材料，通過填補兩種材料接合處的空隙減少界面熱阻，從而加快散熱。目前已經(jīng)開發(fā)的熱界面材料包括導(dǎo)熱硅脂、導(dǎo)熱凝膠、導(dǎo)熱墊片、石墨片等等【SusMat. 2024;e239.】，對各種材料的散熱能力進行準確的測量是評價其性能好壞的關(guān)鍵，本專題將聚焦于宏觀熱界面材料的導(dǎo)熱性能的相關(guān)測試方法，主要包括：激光閃射法（laser flash analyzer）、穩(wěn)態(tài)熱流法（steady-state method）、熱盤法（hotdisk）、差式掃描量熱儀等等，本文將首先介紹激光閃射法（后文簡稱LFA），從基本的設(shè)備結(jié)構(gòu)介紹、測試原理和誤差分析展開。

設(shè)備介紹

激光閃射法是一種被廣泛用于測量材料熱擴散系數(shù)的方法，最早由 W.J. Parker 等人于 1961 年提出【J. Appl. Phys. 32，（1961）1679-1684】。激光閃射法，也被稱作激光法或閃光法。主要利用激光源或閃光氙燈發(fā)出的能量脈沖作為熱源照射樣品表面，樣品吸收脈沖光后，背面溫度升高，產(chǎn)生的溫度變化通過紅外探測器接收并記錄，通過分析軟件分析得到熱擴散系數(shù)，再結(jié)合材料的熱容和密度可得到材料的熱導(dǎo)率。

設(shè)備主要由激光系統(tǒng)、爐體、檢測器與信號采集系統(tǒng)、樣品支架等部分組成：激光系統(tǒng)需提供不同脈沖能量和脈沖寬度的激光，適用于不同的樣品；爐體需保證較好的真空密閉結(jié)構(gòu)，在特殊型號設(shè)備中還可以提供不同的爐體溫度和氣氛；檢測器是溫度測量的重要部分，需實現(xiàn)對樣品背面溫度的精準測量；信號采集系統(tǒng)則需要具備較快的采集速度和信號分辨率，保證對樣品溫度的實時捕捉記錄；針對不同尺寸和不同材質(zhì)的樣品可根據(jù)需要切換不同的樣品支架。

激光閃射法可配備不同尺寸的測試支架滿足不同尺寸、材質(zhì)樣品的測試需求，導(dǎo)熱測量范圍廣，可測量除絕熱材料以外的絕大部分材料，特別適合于中高導(dǎo)熱系數(shù)材料的測量。除常規(guī)的固體片狀材料測試外，還可測量諸如液體、粉末、纖維、薄膜、熔融金屬、基體上的涂層、多層復(fù)合材料、各向異性材料等特殊樣品的熱傳導(dǎo)性能（合適的夾具或樣品容器，選用合適的熱學(xué)計算模型）。

設(shè)備原理

工作過程中，由爐體控制材料的恒溫和絕熱條件（加熱元件或液氮用以測量不同溫度下的熱擴散系數(shù)，真空泵用以降低爐體真空度以盡可能接近絕熱條件），光源發(fā)射光脈沖用以加熱樣品，紅外探測器用以檢測溫度變化。若光脈沖寬度接近于無限小或相對于樣品半升溫時間近似可忽略，熱量在樣品內(nèi)部的傳導(dǎo)過程可抽象為理想的由下表面至上表面的一維傳熱、不存在橫向熱流，且外部測量環(huán)境為理想的絕熱條件。將絕熱邊界條件和脈沖加熱的初始條件帶入一維導(dǎo)熱方程，得到厚度方向不同位置的溫度表達式，然后通過約化

歸一化

變量代換

即可得到歸一化溫度與含時間變量w的關(guān)系。

在后表面溫度上升為所能達到的最高溫度一半時，對應(yīng)w為1.38，對應(yīng)的熱擴散系數(shù)為：

誤差分析

較好涂覆狀態(tài)的樣品：石墨涂覆，金涂覆

實際的測試過程中，很多樣品對可見光和紅外光的吸收較弱（透明、高反射率、低發(fā)射率），需要在樣品表面涂一層石墨或者金屬膜作為吸收層，但涂覆層的厚度和均勻度很難控制，會對溫度測量造成影響。

激光導(dǎo)熱儀結(jié)構(gòu)示意圖

該方法采用紅外探測器實現(xiàn)對溫度測量，這種非接觸式的測溫方法測量精度有限；通常采用機械泵實現(xiàn)低真空，所能達到的最低真空度有限，很難達到理論上的理想絕熱條件，腔體內(nèi)也會存在熱輻射和熱對流，以及與樣品支架間的熱傳導(dǎo)，都會使實際測量條件偏離理論模型；樣品的厚度也是決定最終結(jié)果的重要物理量（膜厚儀），較軟的樣品、材料兩邊不平行、不均勻都會導(dǎo)致厚度測量不準確，進而導(dǎo)致熱擴散系數(shù)的誤差；通常報道的熱導(dǎo)率為熱擴散系數(shù)與熱容（差式掃描量熱儀）和密度（密度計）的差值，熱容和密度測量的誤差也會傳導(dǎo)至熱導(dǎo)率的誤差。

結(jié)語

熱測量方法沒有最好的，只有最合適的。為了得到更準確的測量結(jié)果需要我們對多種測量方法的基本原理有所了解，根據(jù)測量樣品的特性和設(shè)備的要求去選擇最合適的方法。此外也要注意對測量結(jié)果有關(guān)鍵影響的參數(shù)測量，盡可能避免中間過程導(dǎo)致的誤差。