任成偉，師劍軍，馬衛(wèi)東，張 勇

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鋁基覆銅板導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試方法改進(jìn)分析

任成偉，師劍軍，馬衛(wèi)東，張 勇

（空軍工程大學(xué) 防空反導(dǎo)學(xué)院，陜西 西安 710051）

為方便準(zhǔn)確地測(cè)量鋁基覆銅板的導(dǎo)熱系數(shù)，設(shè)計(jì)了一種改進(jìn)的導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試方法。該方法用樣本試件作為參照，利用兩試件隨環(huán)境變化導(dǎo)熱系數(shù)比值近似不變的原理，求出待測(cè)試件的導(dǎo)熱系數(shù)。經(jīng)過(guò)理論分析與仿真驗(yàn)證后，搭建了一種新的鋁基覆銅板導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試平臺(tái)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，該平臺(tái)有效減少了測(cè)量誤差，簡(jiǎn)化了操作流程，節(jié)約了實(shí)驗(yàn)成本。

鋁基覆銅板；導(dǎo)熱系數(shù)；測(cè)試方法；熱阻；熱板；散熱

鋁基覆銅板憑借其高散熱性、耐高溫性等優(yōu)勢(shì)逐漸成為電子設(shè)備采用的主流基板[1]，導(dǎo)熱系數(shù)作為表征其導(dǎo)熱性能的物理參數(shù)之一，具有重要的理論意義和使用價(jià)值。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試研究不充分，標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一，測(cè)試設(shè)備也很匱乏，與鋁基覆銅板的生產(chǎn)量和對(duì)其導(dǎo)熱系數(shù)的精度需求嚴(yán)重不匹配[2]。因此，本文根據(jù)鋁基覆銅板的物理特性，針對(duì)傳統(tǒng)導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試方法存在的不足，提出一種樣本對(duì)比法來(lái)測(cè)量其導(dǎo)熱系數(shù)。該方法用樣本試件作為參照，利用兩試件隨環(huán)境變化導(dǎo)熱系數(shù)比值近似不變的原理，對(duì)待測(cè)試件的導(dǎo)熱系數(shù)進(jìn)行求解。同時(shí)在此測(cè)試方法的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一套完整的鋁基覆銅板導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試平臺(tái)。平臺(tái)設(shè)計(jì)過(guò)程中，除測(cè)試方法外，在添加尼龍護(hù)套作保溫材料、使用軟件監(jiān)控測(cè)試環(huán)境的溫度變化等方面，都具有一定的創(chuàng)新性。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，該平臺(tái)可有效減少測(cè)量誤差，提升測(cè)量精度。

1 鋁基覆銅板導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試原理

1.1 測(cè)試方法的分析與制定

在實(shí)際生產(chǎn)實(shí)踐中，將測(cè)量鋁基覆銅板導(dǎo)熱系數(shù)的方法分為穩(wěn)態(tài)法和瞬態(tài)法兩種[3]，其典型代表分別為熱板法（Hot-Plate）與TPS（Hot-Disk）法。

傳統(tǒng)熱板法見(jiàn)圖1，是基于一維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱模型建立的一種方法，原理簡(jiǎn)單，操作方便[4]。但其忽視了輻射散熱、空氣對(duì)流散熱等各種形式的熱量耗散，也沒(méi)有考慮接觸熱阻帶來(lái)的誤差以及熱量測(cè)量帶來(lái)的誤差。該方法產(chǎn)生的較大測(cè)量誤差很難滿足生產(chǎn)實(shí)踐的精度需求，因此，許多地方有待改進(jìn)。

TPS（Hot-Disk）法見(jiàn)圖2，即瞬態(tài)平面熱源法，是一種利用薄膜探針測(cè)量物體導(dǎo)熱系數(shù)的方法[5]，具有測(cè)試速度快、重復(fù)性好、精度較高等特點(diǎn)。然而，相應(yīng)的測(cè)試儀器價(jià)格昂貴，普及范圍有限。

針對(duì)傳統(tǒng)測(cè)試方法的不足，本文提出一種樣本對(duì)比法。簡(jiǎn)單敘述如下：選取一種導(dǎo)熱系數(shù)容易測(cè)量的材料作為樣本試件，與待測(cè)鋁基覆銅板分置雙面電加熱片兩邊，中間與兩端分別放置均熱板。在裝置側(cè)面包裹保溫材料，使兩試件符合一維導(dǎo)熱假設(shè)。在每塊均熱板上布置兩個(gè)溫度傳感器，并盡量保證上下對(duì)稱，以間接測(cè)出兩塊樣本試件上下表面溫差。由于樣本試件的導(dǎo)熱系數(shù)已知，兩者導(dǎo)熱系數(shù)的比值亦可由試件溫差和厚度兩個(gè)量來(lái)求出，故可得出被測(cè)鋁基覆銅板的導(dǎo)熱系數(shù)。

該參比法借鑒TPS法的思想，將傳統(tǒng)熱板法予以改進(jìn)。與傳統(tǒng)熱板法相比，無(wú)需測(cè)量熱流，避免了輻射散熱帶來(lái)的誤差；同時(shí)，邊緣散熱得到了很好的控制；再次，由于同一環(huán)境下導(dǎo)熱系數(shù)比值一定，可以將諸如裝置設(shè)備、溫度傳感器、環(huán)境等因素造成的誤差大幅度降低。與TPS法相比，成本較低，能更好地被用戶所接受。

1.2 原理分析及數(shù)理模型

具體的測(cè)試原理示意如圖3，中間為雙面加熱片，向上依次為均熱板、被測(cè)試件、均熱板、冷卻裝置，上下裝置對(duì)稱。設(shè)置的八個(gè)測(cè)試點(diǎn)及各點(diǎn)之間的位置關(guān)系如圖3所示。

圖3 導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試原理示意圖

導(dǎo)熱系數(shù)指單位溫度梯度作用下，通過(guò)單位面積進(jìn)行傳遞的熱流量，可表示為：

式中：為接觸面積，單位m2；為熱量傳遞距離，單位m；D為溫度差，單位K；為熱流量，單位W。

截面積相同的兩材料在同一環(huán)境、同一時(shí)間下導(dǎo)熱系數(shù)的比值可表示為：

由于同時(shí)滿足一維導(dǎo)熱假設(shè)[6]，因此，均熱板內(nèi)溫度與傳熱距離呈線性關(guān)系，可推得：

D1= (22–1) –(23–4) (3)

D2= (26–5) –(27–8) (4)

則，比例系數(shù)為：

待測(cè)鋁基覆銅板的導(dǎo)熱系數(shù)即為：

待測(cè)=已知(6)

2 影響測(cè)量誤差因素及部分改進(jìn)措施

本文所述的樣本對(duì)比法，可能存在以下幾方面影響測(cè)量誤差的因素：（1）均熱板尺寸導(dǎo)致的誤差；（2）溫度測(cè)量以及測(cè)試環(huán)境溫度控制導(dǎo)致的誤差；（3）樣本試件導(dǎo)熱系數(shù)標(biāo)定誤差；（4）測(cè)試裝置及溫度傳感器對(duì)傳熱破壞引起的誤差。另外，固體表面粗糙、不能完全接觸，造成的接觸熱阻也是誤差影響因素之一[7]，但因所選的樣本試件與待測(cè)鋁基覆銅板相近，暫將其忽略，不作考慮。

2.1 均熱板結(jié)構(gòu)選擇

對(duì)于均熱板尺寸確定的問(wèn)題，本文利用有限元分析軟件ANSYS分析了在穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱情況下均熱板內(nèi)的溫度分布關(guān)系[8]。以圓形均熱板為例，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，設(shè)定均熱鋁板厚度較小時(shí)，沿軸向溫度梯度小、分布密集，如圖4所示，但均熱板上下表面溫差小，在實(shí)際的溫度測(cè)量中將產(chǎn)生較大誤差，很難滿足測(cè)試精度的要求。故需將均熱板厚度增加。

圖4 均熱板內(nèi)溫度場(chǎng)分布圖(a)及沿軸向分布曲線(b)

當(dāng)對(duì)厚度為80 mm、直徑為30 mm的均熱鋁板進(jìn)行穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱分析時(shí)，觀察到其內(nèi)部溫度場(chǎng)并非呈線性分布，如圖5所示。分析其原因，為隨均熱板厚度增加，側(cè)面面積相對(duì)增大，熱輻射和熱對(duì)流比重增大所致。因此決定采用韌性好、抗壓能力強(qiáng)、電絕緣性好、保溫性能良好的尼龍作為側(cè)面保溫材料，并利用ANSYS重新建模、分析。其內(nèi)部溫度分布場(chǎng)圖與內(nèi)部沿軸向分布曲線如圖6所示。可以清晰看出，內(nèi)部溫度場(chǎng)仍呈現(xiàn)一維分布，沿軸向溫度分布幾乎呈線性。同時(shí)，在軸向擁有比較理想的溫度梯度，方便獲取有效的溫度測(cè)試數(shù)據(jù)，滿足測(cè)試精度要求，所以本文鋁基覆導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試平臺(tái)設(shè)計(jì)最終采用此種傳熱板結(jié)構(gòu)。

圖5 非大平壁均熱板內(nèi)沿軸向溫度場(chǎng)分布曲線

圖6 保溫下均熱板內(nèi)部溫度場(chǎng)布圖(a)與軸向溫度分布曲線(b)

2.2 溫度測(cè)量與控制

為避免溫度測(cè)量產(chǎn)生的較大誤差，經(jīng)過(guò)溫度傳感器的優(yōu)劣對(duì)比，選用線性好、溫度系數(shù)分散小的Pt1000作為實(shí)驗(yàn)用溫度傳感器。測(cè)溫過(guò)程除設(shè)計(jì)零溫度漂移恒流源外，還設(shè)計(jì)了一個(gè)可以同時(shí)測(cè)量溫度和溫差的測(cè)量電橋，旨在利用式（5）的兩種表示形式完成兩種溫度測(cè)量方案，再求取平均值，從而減小溫度測(cè)量誤差。零溫度漂移恒流源和測(cè)溫（差）電橋原理圖分別如圖7和圖8。

圖7 零溫度漂移恒流源

圖8 測(cè)溫(差)電橋原理圖

3 測(cè)試平臺(tái)設(shè)計(jì)

依據(jù)前文所述測(cè)試原理，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種與之相應(yīng)的鋁基覆銅板導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試平臺(tái)[9]。整個(gè)平臺(tái)的設(shè)計(jì)分機(jī)械結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)采控與處理、應(yīng)用軟件三個(gè)部分，該測(cè)試平臺(tái)三維立體圖如圖9顯示，機(jī)械結(jié)構(gòu)包括雙面電加熱片、均熱板、尼龍護(hù)套、冷卻裝置以及支撐裝置等部件；數(shù)據(jù)采控與處理部分包括單片機(jī)、測(cè)溫、測(cè)壓電路、步進(jìn)電機(jī)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、液晶顯示等模塊，見(jiàn)圖10。測(cè)試軟件主要由C#語(yǔ)言編譯[10]。該軟件以實(shí)現(xiàn)安全的可操作性與良好的人機(jī)互動(dòng)為目的，不僅設(shè)置信息錄入、設(shè)定控制等必要模塊，還增加實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與溫度曲線模塊，使操作者可以獲得準(zhǔn)確結(jié)果的同時(shí)，較直觀地了解整個(gè)測(cè)試過(guò)程，見(jiàn)圖11。

圖9 測(cè)試平臺(tái)三維圖

圖10 平臺(tái)數(shù)據(jù)采集部分實(shí)物圖

圖11 軟件設(shè)定控制模塊

鋁基覆銅板導(dǎo)熱系數(shù)的簡(jiǎn)化測(cè)試步驟為：（1）完成軟、硬件調(diào)試；（2）將已知樣本試件與待測(cè)鋁基覆銅板上下表面涂抹導(dǎo)熱油脂后水平放入測(cè)試位置；（3）平臺(tái)各功能模塊初始化，錄入必要信息；（4）啟動(dòng)加熱、制冷、壓力裝置；（5）待穩(wěn)態(tài)后記錄測(cè)試數(shù)據(jù)（軟件界面顯示實(shí)時(shí)溫度、壓力，并且每10 s更新一次，當(dāng)10次溫度數(shù)據(jù)的收斂方差小于0.1時(shí)認(rèn)為達(dá)到穩(wěn)態(tài)）；（6）設(shè)定不同溫度、壓力值，重復(fù)測(cè)試。

4 測(cè)試結(jié)果與分析

采用此設(shè)計(jì)平臺(tái)，取304不銹鋼作為提供對(duì)比的樣本試件（樣本試件的導(dǎo)熱系數(shù)過(guò)小，受測(cè)量誤差影響較大，樣本試件的導(dǎo)熱系數(shù)過(guò)大，所測(cè)試件的導(dǎo)熱系數(shù)變化不明顯，所以選導(dǎo)熱系數(shù)為鋁基覆銅板的10~20倍的304不銹鋼作為樣本試件）；設(shè)定溫度為50 ℃（50 ℃時(shí)304不銹鋼的導(dǎo)熱系數(shù)為16.2 W/m）；壓力為0.69 MPa；分別對(duì)三塊鋁基覆銅板進(jìn)行了導(dǎo)熱系數(shù)的測(cè)試（實(shí)驗(yàn)所采用的被測(cè)試樣都是由全國(guó)印制電路標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)所提供），得到表1實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

表1 鋁基覆銅板實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

Tab.1 The experimental data of aluminum based copper clad laminate

表1中，為單位面積的接觸熱阻；a為計(jì)算的鋁基覆銅板被測(cè)試件的導(dǎo)熱系數(shù)；b為利用此平臺(tái)，采用傳統(tǒng)熱板法所得到的導(dǎo)熱系數(shù)；c為廠家提供的導(dǎo)熱系數(shù)參考值。

可以看出，采用樣本對(duì)比法測(cè)得的三組試件的導(dǎo)熱系數(shù)與廠家提供的參考值相差很小，誤差均不大于3%。而采用傳統(tǒng)熱板法測(cè)得的三組試件的導(dǎo)熱系數(shù)與廠家提供的參考值相差較大，誤差達(dá)6%左右。此外，在不同的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)下，通過(guò)設(shè)置不同的溫度和壓力值，測(cè)量了不同厚度的試樣的導(dǎo)熱系數(shù)。測(cè)試結(jié)果顯示，利用此次設(shè)計(jì)的測(cè)試平臺(tái)獲得的測(cè)試結(jié)果都能夠滿足實(shí)際的測(cè)試要求，誤差均在3%左右；而且，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表現(xiàn)出良好的一致性。同時(shí)，測(cè)試速度快，耗時(shí)短。據(jù)相關(guān)資料統(tǒng)計(jì)，現(xiàn)有的測(cè)量鋁基覆銅板導(dǎo)熱系數(shù)技術(shù)的測(cè)量誤差均在5%左右?？梢钥闯?，此次設(shè)計(jì)的測(cè)試平臺(tái)有效地提升了測(cè)試精度，對(duì)于準(zhǔn)確評(píng)估鋁基覆銅板的導(dǎo)熱性能有著積極的作用。

5 總結(jié)

本文所提的樣本對(duì)比法，減小了因輻射散熱、邊緣散熱引起的熱量測(cè)量誤差，提高了鋁基覆銅板導(dǎo)熱系數(shù)的測(cè)量精度。同時(shí)，將導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試過(guò)程中容易產(chǎn)生誤差的主要因素，由熱量測(cè)量轉(zhuǎn)為樣本試件標(biāo)定的導(dǎo)熱系數(shù)精度，從理論上縮小了誤差范圍。平臺(tái)設(shè)計(jì)過(guò)程中，尼龍護(hù)套的采用及軟硬件的配套使用，不僅有效減少了測(cè)量誤差，還簡(jiǎn)化了實(shí)驗(yàn)人員的操作，節(jié)約了實(shí)驗(yàn)設(shè)備的成本。從測(cè)試結(jié)果也可以清晰地對(duì)比出，該方法較傳統(tǒng)導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試方法有了明顯的改進(jìn)。因此，本文的實(shí)驗(yàn)對(duì)以后該領(lǐng)域的研究具有一定借鑒意義。

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（編輯：陳渝生）

Improved analysis on test approach of aluminum based copper clad laminate thermal conductivity

REN Chengwei, SHI Jianjun, MA Weidong, ZHANG Yong

(The Missile Institute of Air Force Engineering University, Xi’an 710051, China)

To measure easily and accurately the heat conduction parameter of aluminum base copper clad laminate, an improved heat conduction parameter measurement approach was designed. This approach took a sample as a reference, the heat conduction parameter of a PCB was calculated based on the theory that the heat conduction parameter proportion between two PCBs were nearly same. A novel aluminum base copper clad laminate test platform was constructed through theory analysis and simulation validation. The experiment results reveal that this platform can reduce measurement error effectively, simplify the operation process, and save the cost of experiments.

aluminum based copper clad laminate; thermal conductivity; test method; hot resistance; hot plate; hot dissipation

10.14106/j.cnki.1001-2028.2017.01.016

TP332.2

A

1001-2028（2017）01-0080-05

2016-10-28

師劍軍

師劍軍（1966－），男，河南安陽(yáng)人，副教授，主要從事檢測(cè)技術(shù)與自動(dòng)化研究，E-mail: m13152170357@163.com；

任成偉（1993－），男，山西呂梁人，研究生，主要從事現(xiàn)代檢測(cè)技術(shù)的研究，E-mail: m13152170357@163.com。

http://www.cnki.net/kcms/detail/51.1241.TN.20161230.1024.015.html

網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間：2016-12-30 10:24:32