熱傳導-TC 複合材料接觸熱阻與熱傳導特性之探討

探討接觸熱阻與熱傳導特性之關聯性

舉凡是任何複合材料，就必須探討關於接觸熱阻與熱傳導特性之關聯性，接觸熱阻存在於兩個固體表面之間的界面中。界面因孔隙減緩了結構中的熱量傳播，這可以用邊界區域的溫度下降來說明，如下方左圖所示。

0.2 mm thick copper sheets

因此，即使材料的固有導熱率再高，若以粉末狀量測材料之導熱率卻會很低，這便是因為粉體存在大量的接觸熱阻所導致。在具有大量界面的結構材料中，例如：粉末、層壓板、複合材料等，接觸電阻與複合材料之導熱性的關係更顯得重要。我們將銅箔以數層堆疊成0.2mm厚的銅板，同時施加軸向的力，為了比較各層之間的接觸電阻對整體複合材料熱導率的影響，分別施加兩種不同的壓力重複測量。

透過Hot Disk異方向性測試模組(Anisotropic method) 量測堆疊後的銅片，可以得到平面(In-Plane)以及垂直(Axial)方向的熱導率。從測試結果中顯示，徑向(XY方向)的熱導率在塊狀銅的預期範圍內，大約落在386 W/mK。然而，不論是在施加1.8 kPa 或是7.5kPa的壓力下，軸向(Z方向)之熱導率則顯著降低，這便是因堆疊而使得Z軸向存在大量的接觸熱阻所導致。同時比較不同施力下之Z軸向熱導率，可以推斷較大的施力也能夠降低接觸熱阻對熱傳導特性造成的影響。在本次的應用中，由於層間不存在介面材料，因此熱傳導特性的下降可以歸因於接觸電阻。這也清楚地說明了固體表面之間接觸熱阻的重要性。

在實際應用上，如軟性銅箔基材FCCL(Flexible Copper Clad Laminate)中，PI膜與銅箔間無任何膠合樹脂的2-Layer無膠式軟板，便是由撓性絕緣基膜與金屬箔組成的，對於這類型的複合材料，使用Hot Disk熱傳導係數儀搭配不同測試模組，可以同時針對單層低導熱薄膜、高導熱金屬片材以及結構型複合材料進行一系列的散熱性評估。