熱傳導-TC Hot Disk量測薄型高導熱材料的應用技術

Hot Disk自1992年以來一直著手於提供一種可靠、方便且有效的方式來量測各種材料的熱傳導特性。該方法開發後不久，便決定開始評估量化薄型金屬片導熱能力，同時也意識到許多客戶有此種材料的測試需求；一般來說，散熱用的合金通常價格較高且產量有限。由於許多散熱片皆以合金片狀形式製作，因此如果能夠以這種形式直接測試其熱導率將非常有益。實際測量時會意識到探測深度對於這種類型的測試至關重要，因為TPS瞬態平面熱源法(Transient plane heat source) 主要是基於熱量在測試過程中皆在樣品內傳導的情況下，由於金屬板周圍空氣的熱導率較低（0.025 W / mK），與金屬樣品之間傳遞的熱量相比，在金屬樣品邊緣散失到周圍環境的熱量可以忽略不計。遵循相同的原則，用於測試薄型高導熱材料的設置，會在每個樣品件的外側放置絕緣塊，以減少環境造成的影響。

Hot Disk的Sensor是由Kapton絕緣材包覆薄鎳箔的三層結構。我們嘗試使用Hot Disk量測5種樣品，分別是厚度2mm/4mm的銅和鋁以及厚度4mm的黃銅，每片樣品的直徑為60mm，測試時間設定在3秒以上；每種金屬材料取兩個相同片材並將Sensor夾在兩個待測金屬片之間，類似於三明治狀的結構。透過後端分析可以降低Sensor與樣品之間的接觸熱阻，並有足夠的測量點據來進行可靠的分析。進而得到熱傳導係數、熱擴散係數和比熱容。

▲Figure 1. 圖一左側為Hot Disk Sensor示意圖，右側為典型Hot Disk測試時Sensor與樣品的放置示意圖
 

我們實際將量測出來的結果與文獻與製造商提供的數值做比對，發現結果非常吻合。例如：鋁片製造商所提供的K值為170W/mK，Hot Disk針對厚度2mm的鋁進行了6次量測，其平均值為172.5W/mK。根據溫度和時間之間的線性關係計算出的比熱容也與文獻結果相符。

 

▲Table 1. 表一為Hot Disk分別量測五種薄型金屬片的平均熱傳導係數和比熱容
 

透過這項測試研究可以得知，只要確保樣品邊界上的熱損失與Sensor輸入的熱量相比是微不足道的，就可以透過Hot Disk精確地測試薄金屬樣品的導熱率。同時可以推論，測試所需的樣品直徑與待測材料的熱擴散率有正相關，具有較低熱擴散率的材料不需要具有和高熱擴散率的材料一樣大的樣品直徑。Hot Disk也因而開發出用於測試高導熱薄型材料的高熱傳片狀測試模組(Slab Module)，這也讓Hot Disk TPS方法可用于全新的導熱性測試領域, 此方法是目前最適合而且最穩定的薄片高熱傳材料測試方法。

▲Figure 2. 圖二左側為Hot Disk TPS3500示意圖。右側為用於測試高導熱薄片導熱率的Slab測試模組示意圖。絕緣材料放置於待測材料的兩側，以確保在測試過程中對環境的熱損失最小。

作為目前國際上最具可信度的導熱測試方法之一，Hot Disk TPS符合國際標準測試規範ISO22007-2，屬於瞬態平面熱源法的測試方式。透過一次性的量測即可快速得到大多數材料類型的熱傳導係數、熱擴散係數和比熱容。不僅能夠量測固體、液體、粉體和膏體等多種型態的樣品，目前Hot Disk也提供更多樣的測試模組，如：異方向性模組(Anisotropic)、薄膜模組(Thin film)、比熱測試模組(Specific heat)和低密度高絕緣測試模組(Low Density/High Insulator)等。我們也深信Hot Disk這樣的先進量測技術，定能提供產品在微型化、高速化和高功率化的趨勢演進下，對於散熱需求的業界先進最好的解決方法。

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