1、印制电路信息 2023 No.1基板材料 Base Material ASTM D5470方法测试金属基覆铜板导热系数的影响因素刘旭亮 杨单 陈毅龙 丘威平（1.景旺电子科技（龙川）有限公司，广东 河源 517373；2.广东省金属基印制电路板工程技术研究开发中心，广东 河源 517373）摘要导热系数是表征材料散热性能的重要参数之一，在金属基板领域应用广泛。本文主要介绍美国材料试验协会稳态热流法ASTM D5470的测试标准及原理，从测试参数（压力和时间）、导热膏（热阻抗测试方法和特性）、试样（表面粗糙度和形状尺寸）等方面，分析对金属基覆铜板导热系数测试结果的影响，以期为测试人员提供参考及获
2、得更加精确数据。关键词金属基覆铜板；导热系数；导热膏中图分类号：TN41文献标识码：A文章编号：20090096（2023）01002605Discussion on influencing factors of astm D5470 method for testing thermal conductivity of metal-based copper clad laminatesLIU XuliangYANG DanCHEN YilongQIU Weiping(1.Kinwong Electronic Technology(Longchuan)Co.,Ltd.,Heyuan 517373
3、,Guangdong,China;2.Metal-based Printed Circuit Board Engineering Technology Research and Development Center in Guangdong Province,Heyuan 517373,Guangdong,China)Abstract Thermal conductivity is one of the important parameters to characterize the heat dissipation performance of materials,and it is wid
4、ely used in the field of metal substrates.This article mainly introduces the test standard and principle of the ASTM D5470 steady-state heat flow method of the American Society for Testing and Materials,from the test parameters(pressure and time),thermal paste(thermal impedance test method and chara
5、cteristics),samples(surface roughness and shape and size),etc.The influence of different angles on the test results of the thermal conductivity of metal-based copper-clad laminates is analyzed,in order to provide references for testers and obtain more accurate data.Key wordsmetalbased copper clad la
6、minate;thermal conductivit;thermal taste作者简介：刘旭亮（1991）,男，助理工程师，主要研究方向为配方材料开发及性能测试，实验室检测及管理。-26印制电路信息 2023 No.1基板材料 Base Material 0引言散热是微电子设计师经常面临的最大挑战之一，随着印制电路板（printed circuit board，PCB）向高密度、多层化方向不断发展，元器件载体的PCB散热能力更加关键。尤其是在LED基板、新型电源模块等领域，导热型金属基覆铜板是解决电子元器件热量散失问题的关键，其核心功能是在保留绝缘性能的基础上，提高树脂复合层的导热能力1。导
7、热系数是表征材料散热能力大小的物理量之一，材料的导热系数不仅与材料的物质种类有关，而且与其微观结构、填料含量等密切相关。在科学实验和工程设计中，所用材料的导热系数均需用实验的方法精确测定，测定方法目前已有多种，且分别有不同的适用领域、测量范围、精度、准确度、试样尺寸要求等。不同方法对同一试样的测量结果可能会有较大的差别，因此选择合适的测试方法尤为重要。本文主要探讨ASTM D5470稳态热流法的测试原理，以及其在金属基覆铜板材料测试应用中的影响因素。1ASTM D5470标准及试验方法1.1ASTM-D5470标准概述目前导热系数的测定方法分为稳态法和非稳态法2大类，各自具有不同的测试原理。在
8、导热硅胶及金属基板行业中，常见的测试方法有稳态热板法（参照标准：ASTM-D5470）和瞬态平面热源法（参照标准：ISO 22007-2）。ASTM-D5470即热流计法，又称稳态热流法，源于美国材料与试 验 协 会（American Society for Testing and Materials，ASTM），标准包括对热阻抗测试及表观导热系数的计算，主要用于测试薄型导热固态绝缘材料热传输特性。该标准基于理想化的热条件，将给定厚度的测试试样置于两冷热平板表面之间，热梯度通过接触面的温度差施加在试样上，使热流通过试样，热流垂直且均匀地穿过测试表面，同时确保无横向热传输2。1.2ASTM-D5
9、470测试原理ASTM-D5470标准用于测试处于稳态的电绝缘材料的热阻抗。先测试不同厚度试样的热阻抗，根据热阻抗与试样厚度的关系，由拟合直线的斜率得到与试样厚度无关的导热系数，在厚度为零时，热阻抗为两接触热阻抗之和。这是该方法与使用其他试样几何因数（如面积、厚度等）直接求取材料导热系数的稳态热流法之间最大的区别。1.3试验仪器及操作步骤（1）试验仪器：台湾瑞领-LW-9389界面材料热阻抗及热传导系数量测仪。（2）测试模块尺寸：25.4 mm25.4 mm。（3）试验方法：ASTM-D5470。（4）测试环境：温度 2026，相对湿度RH50%60%。（5）主要输入参数：试样各层厚度，金属基
10、热阻抗，导热膏热阻抗，热端温度，测试压力，测试时间或结束条件。（6）试验步骤：制样（取样打磨和测试厚度）开机（参数设置）涂抹导热膏试样放置开始测试测试结束（生成报告）清洁测试模块关机。2测试影响因素2.1测试压力和时间对试样导热系数测试的影响2.1.1测试压力对试样导热系数测试的影响试样与测试界面之间存在界面接触热阻抗，接触热阻抗在很大程度上受表面特性和施加在试样上的压力影响，根据材料特性不同，需要足够大的压力排除界面多余的导热膏及空气，使界面接触热阻抗最小化，但压力过大时，会损坏试样或仪器模块。根据ASTM-D5470标准，结合如图1所示的测试数据展开分析，针对较软或者附着低黏度导热膏的平整
11、试样，压力低至 0.69 MPa（100 psi）；针对较硬或者附着高黏度导热膏的非平整试样，压力高至3.4 MPa（500 psi）。2.1.2测试时间对试样导热系数测试的影响ASTM-D5470稳态热流法通过上下接触界面热流传递一定时间，稳定平衡后再判定测试结束，并得到结果，如测试时间精准可获得更准确的结果。根据ASTM-D5470标准介绍，结合设备厂商所提供参考资料说明书，建议测试时间为2030 min。-27印制电路信息 2023 No.1基板材料 Base Material 通常试样测试时间为20 min时，基本可达到稳定状态，时间过长也会影响测试效率。另外可选择快速收敛模式（测试前
12、设定好曲线平衡收敛度）作为测试结束条件。通常金属基覆铜板测试模式的结束条件为：曲线收敛度或平衡指数（CV）0.2%或温度不确定度（T-STD）0.02，达到该设定的曲线收敛标准后，仪器可自动结束测试。2.2导热膏热阻抗测量方法对试样导热系数测试的影响对于ASTM D5470方法，导热膏的热阻抗大小及准确性是影响测量精度的关键因素之一，对金属基覆铜板的测试结果影响很大。目前业内测量导热膏热阻抗的方法主要有以下2种：用设备测量单层导热膏的热阻抗，直接用于输入后续试样测试的导热膏热阻抗；用正常试样测试流程测量70 m厚度铜箔的整体热阻抗，然后用其1/2的值作为试样测试的导热膏热阻抗输入。本实验主要验
13、证这 2 种方法的差异，并分析结果。2.2.1测试方案（1）目的：对比不同方法测试导热膏热阻抗的结果和偏差。（2）导热膏：导热系数 1.0 W/（mK）的导热膏。（3）测 试 试 样：75 m 铜 箔，25.4 mm 25.4 mm。2.2.2测试结果及分析测试结果见表1。理论上来说，2种测试方案得出的结果均正确，但从表1可知，方案1测得的单层导热膏热阻抗更大。原因是方案2比方案1更符合金属基覆铜板试样的实际测试情况，方案 2可尽量减少测试方法偏差，使结果更准确，因此一般情况下，采用方案2测得的导热膏热阻抗作为试样测试参数输入。2.3导热膏特性对试样导热系数测试的影响导热膏的作用是填充试样两表
14、面与冷热两极接触界面间的空隙，排出空气，使接触更加严密，降低接触热阻抗。目前市面上各种型号、各种导热系数和黏度的导热膏多样，本实验选取3款不同导热系数和不同黏度的导热膏测试对比，探讨导热膏特性对试样导热系数测试的影响。2.3.1测试方案（1）目的：用不同导热膏测试同一试样的热阻抗和导热系数，分析导热膏特性对试样测试结果的影响。（2）导 热 膏 型 号：A，标 称 导 热 系 数 1.2 W/（mK）；B，标称导热系数1.0 W/（mK）；C，标称导热系数3 W/（mK）。（3）测试试样：35.0 m铜箔，0.8 mm铝板，66.0 m导热绝缘层。（4）测试步骤：测70 m铜箔+导热膏热阻抗测试
15、样热阻抗和导热系数。2.3.2测试结果及分析通过选用 3款不同导热系数、不同黏度的导热膏测试同一试样的热阻抗，测试结果见表2。（1）A导热膏黏度最小。理论上来说，在相同压力下更利于试样两表面与冷热两极接触面间的小空隙填充，以减少接触热阻抗。但该导热膏本身的图1不同材料类型和压力下的热阻抗测试结果表1不同方法测量导热膏热阻抗的结果序号方案1方案2测量方案单层导热膏70m铜箔+双层导热膏整体热阻抗/(cm2W-1)0.1200.210折算后单层导热膏热阻抗/(cm2W-1)0.1200.105-28印制电路信息 2023 No.1基板材料 Base Material 热阻抗较大，整体热阻抗比试样大
16、数倍，因此导热膏本身热阻抗测量精度会对试样测试的最终结果产生极大影响，使最终数据出现失真的情况。（2）C导热膏黏度最大，不利于接触面的小空隙填充，由于其本身热阻抗很小，所以试样最终测试结果偏差不大。但黏度过高不利于操作和冷热模块清洁，且因需要加大压力才能使试样和模块面更好地接触严密，对仪器损伤较大。（3）B导热膏的黏度和本身热阻抗均较适中，操作和清洁方便，且对测试结果影响不大。因此，选用合适黏度和低热阻抗的导热膏B有利于提升试样测试结果准确性及操作测试效率。2.4试样表面粗糙度对试样导热系数测试的影响按照ASTM D5470测试标准，只有当界面接触热阻抗非常小时（试样总热阻抗的1%），才能用 d/R对试样测试计算。接触热阻抗是影响测量精度的关键因素，试样表面的粗糙度直接决定了测试时接触热阻抗大小。本实验取同一试样进行不同粗糙度处理，测试分析试样表面粗糙度对试样导热系数测试结果的影响。2.4.1测试方案（1）目的：用同一试样测试表面粗糙度对导热系数测试结果的影响。（2）导热膏：导热系数 1.0 W/（mK）的导热膏。（3）测试试样：35 m 铜箔，0.8 mm 铝板，66 m导热绝缘层，
