两个接触的固体界面接触热阻
问题描述
对于两个接触的固体界面，由于表面凹凸不平，实际接触面积远小于名义接触面积，当热流经过界面时，会产生接触热阻(Thermal Contact Resistance)。接触热阻是电子器件设计中的一个重要参数，如微电子封装中纳米结构的IC设计、表面镀膜材料、热电器件、超导薄膜、半导体薄膜，LED 封装设计、光学数据存取器、超短脉冲激光器、低温超导绝缘、高功率芯片设计等。
图1 微观接触表面形貌
技术难点
对接触热阻的研究始于对材料界面接触热阻的实验测量，实验测量为各种理论模型和经验公式提供依据。根据实验热流是否稳定，接触热阻的测量方法分为稳态法和瞬态法。最常用接触热阻的实验测量方法是稳态法，如美国国家标准ASTM D5470-06的测试设备，实验装置如图2所示。这种方法主要问题是：对于小到毫米厚度的试件布置多个热电偶较为困难，热电偶的嵌入对试件本身温度场造成影响，实验周期长，测量精度偏低。
图2常用触热阻测试方法
瞬态法测试接触热阻的方法主要包括激光光热测量法、“flsh”闪光法等。激光光热测量法利用材料的光学反射率随温度变化来获取材料的热物性，通过获取光热产生的热波相位信号，可以获得接触热阻。激光光热测量法在材料的热扩散系数测量、低温界面热阻的测量和电子器件薄片材料等领域应用广泛，具有非接触、响应快、分辨率高、测量周期短等优点，但其测量精度有待提高。“flsh”闪光法通过对接触薄壁件一侧施加激光脉冲热波，在另一侧记录温度响应，由温度响应曲线和材料的热物理特性列出简化的偏微分方程，进而求解接触热阻。该方法求解过程相当复杂且应用范围有限。
图3激光管热测量法
以上各种接触热阻的测量方法，其中稳态法易于实现，目前被广泛采用；但测试时间长，且对样品尺寸有严格要求。各种瞬态法因为测试时间短，而逐渐引起关注，但其测量过程易受各种因素影响，公式推导复杂，测量精度难以保证。
DynTIM解决方案
针对上述测量方案的不足，明导公司提出了DynTIM解决方案：利用T3ster瞬态测试技术配合结构函数理论的接触热阻测试方法。
图4 DynTIM解决方案
测试热界面材料(TIM)的瞬态响应，生成结构函数，确定TIM的总热阻。通过压力改变TIM的厚度，来研究厚度与热阻间的关系。
图5 不同厚度TIM结构函数
通过线性回归得到TIM厚度与总热阻的函数表达式。
图6 TIM厚度与热阻的函数关系
图7 不同材料的热阻测试结果
总结
