論文信息：

Tao Chen, Bingjia Xiao, Xin Qian, Puqing Jiang, Simultaneous measurement of pressure-dependent bulk and interfacial thermal properties in thermal interface materials using square-pulsed source thermoreflectance, arXiv：2603.22733 [physics.app-ph]

論文鏈接：

https://arxiv.org/abs/2603.22733

Part.1

研究背景

隨著電力電子設(shè)備中的功率密度持續(xù)增加，熱管理越來越不僅受限于散熱器和均熱板，還受限于從發(fā)熱器件到外部冷卻結(jié)構(gòu)的熱流路徑上的熱阻。因此，熱界面材料（TIMs）被廣泛引入。

對于一個已粘接的 TIM 層，其熱性能至少由三個參數(shù)決定：TIM 體材料的熱導(dǎo)率(k)、該層的體積熱容(C)，以及接觸表面處的界面熱阻（ITR）。在實際組裝條件下，TIM 的特性并不總是本征常數(shù)。先前的研究表明，TIM 接頭的總熱導(dǎo)率可能會隨著夾緊壓力的增加而顯著提高 。

現(xiàn)有的主流TIM測試方法（如穩(wěn)態(tài)標(biāo)準(zhǔn)ASTM D5470、瞬態(tài)LFA、高頻TDTR等）都存在明顯缺陷。由于缺乏能同時測量這三個參數(shù)并追蹤其隨壓力歷史演變的實驗手段，導(dǎo)致對TIM在真實受壓條件下的行為理解嚴(yán)重不足。

方波脈沖源（SPS）熱反射技術(shù)為解決這個問題提供了機會。在 SPS 中，泵浦光束被一個占空比為50%的方波調(diào)制，其頻率范圍異常寬廣，從1HZ到10MHZ，并且時間分辨的熱反射響應(yīng)通過傳熱模型進(jìn)行解釋。能夠在單個實驗框架內(nèi)獲取不同時間尺度的熱存儲、熱擴散和界面?zhèn)鳠嵝畔ⅰＨ欢湓趬毫煽氐?TIM 組件（其中體材料和界面特性共同演變）中的應(yīng)用能力尚未得到證實。

論文針對三個知識空白：缺乏能同時解析 TIM 組件中k、C和 ITR 的單一瞬態(tài)方法；對這些參數(shù)如何隨壓力和加載歷史演變的了解有限；以及 TIM 特性表征與決定電子封裝性能的熱過程之間的聯(lián)系不足。研究將 SPS 熱反射法與一個壓力可控的樣品平臺相結(jié)合，并研究了三種具有代表性的 TIM 類別：一種導(dǎo)熱凝膠、一種導(dǎo)熱墊片和一種高真空脂。

這項工作旨在為表征實際熱管理系統(tǒng)中使用的 TIM 組件的狀態(tài)依賴熱傳輸，建立一條與設(shè)計相關(guān)的路徑。

Part.2

研究內(nèi)容

實驗裝置的示意圖如圖 1(a) 所示。泵浦激光經(jīng)鎖相放大器進(jìn)行方波調(diào)制，以周期性地加熱樣品表面，同時反射的探針光束被光電探測器收集。鎖相放大器的周期波形分析儀（PWA）模塊記錄一個調(diào)制周期內(nèi)隨時間變化的電壓響應(yīng)。泵浦光強的相應(yīng)時間分布如圖 1(b) 所示。為了在壓縮狀態(tài)下進(jìn)行測量，SPS 與一個壓力可控平臺進(jìn)行了集成，如圖 1(c) 所示。

圖 1壓縮狀態(tài)下方波脈沖源（SPS）熱反射技術(shù)的實驗配置(a) SPS 泵浦-探針系統(tǒng)的光路設(shè)置(b) 一個調(diào)制周期內(nèi)探針、泵浦和反射探針信號的示意性時間分布(c) 用于 TIM 測量的壓力可控樣品臺，其中通過一個彈簧加載裝置將鍍鋁透明基板壓靠在 TIM 上

首先采用差分測量策略來表征參考的玻璃/Al/空氣結(jié)構(gòu)。通過同時擬合在三個頻率下測得的信號，確定了玻璃基板的熱導(dǎo)率和體積熱容，以及 Al 薄膜的熱導(dǎo)率。隨后，考慮了導(dǎo)熱凝膠在 0.16 MPa 下的一個代表性案例，以說明 SPS 如何對 Al/TIM 系統(tǒng)的熱導(dǎo)率、體積熱容和界面熱阻進(jìn)行解耦。測量使用了相同的 12.2 μm 激光光斑半徑和相同的三個調(diào)制頻率。相應(yīng)的歸一化振幅信號如圖 2(a-c) 所示，相關(guān)的靈敏度系數(shù)則繪制于圖 2(d-f) 中。

圖 2導(dǎo)熱凝膠在 0.16 MPa 下的代表性 SPS 測量與靈敏度分析。(a-c) 在激光光斑半徑為 12.2 μm、調(diào)制頻率分別為 1 MHz、100 kHz 和 4 kHz 下測得的歸一化振幅信號。符號為實驗數(shù)據(jù)，實線為模型擬合結(jié)果；插圖中展示了對應(yīng)的全周期瞬態(tài)響應(yīng)(d-f) 對 TIM 熱導(dǎo)率（kTIMkTIM）、體積熱容（CTIMCTIM）和界面熱阻（ITR）的靈敏度系數(shù)

圖 3 總結(jié)了 RS382 導(dǎo)熱凝膠在加載和卸載過程中隨壓力變化的熱行為。在加載過程中可以觀察到三個明顯的趨勢：熱導(dǎo)率隨壓力增加而增加，體積熱容也隨壓力增加而增加，而界面熱阻則隨壓力增加而降低。這些結(jié)果表明，壓縮同時增強了體材料和界面的熱傳輸。

圖 3導(dǎo)熱凝膠在加載和卸載過程中的壓力依賴熱特性。(a) 熱導(dǎo)率 k(b) 體積熱容 C(c) 鋁與TIM之間的界面熱阻 (ITR)帶誤差棒的符號為 SPS 測量結(jié)果，實線為壓力依賴的多孔介質(zhì)/接觸模型的擬合曲線。(d) 反演得到的孔隙率 ? 演化

圖4總結(jié)了該商用導(dǎo)熱墊片在加載和卸載過程中的熱特性。與凝膠的情況一樣，k、C 和 ITR 均隨壓力強烈變化。然而，其背后的物理解釋有所不同，因為該墊片更適合被視為一種高柔順性的填充復(fù)合材料，而非一種簡單的多孔凝膠。

圖 4導(dǎo)熱墊片在加載和卸載過程中的壓力依賴熱特性。(a) 熱導(dǎo)率 k(b) 體積熱容 C(c) 鋁與TIM之間的界面熱阻 (ITR)。帶誤差棒的符號為 SPS 測量結(jié)果，實線為簡化壓縮狀態(tài)/接觸導(dǎo)熱模型的擬合曲線。藍(lán)色表示加載過程，紅色表示卸載過程

高真空脂表現(xiàn)出一種截然不同的行為，如圖5所總結(jié)。與導(dǎo)熱凝膠和導(dǎo)熱墊片不同，在所研究的壓力范圍內(nèi)，該油脂的體材料熱導(dǎo)率和體積熱容幾乎沒有可測量的壓力依賴性。如圖5(a)所示，提取出的熱導(dǎo)率大致保持在約0.15 W/(m·K)的恒定值，這與制造商報告的0.19 W/(m·K)數(shù)值合理吻合。類似地，圖5(b)顯示，體積熱容保持在約0.65-0.70 MJ/(m3·K)的狹窄范圍內(nèi)，其變化幅度與實驗不確定度相當(dāng)。如圖5(c)所示，Al-TIM界面熱阻隨壓力增加而顯著降低，從低壓時的0.08 m2·K/W降至最高壓力時的0.03 m2·K/W。這種強烈的壓力依賴性表明，油脂熱性能的改善主要源于界面處潤濕性和間隙填充的增強。隨著載荷增加，油脂被更有效地擠壓進(jìn)入表面粗糙峰的凹陷處和殘余空隙中，從而減少了局部間隙，增加了界面上的有效傳熱面積。

圖 5高真空脂的壓力依賴熱特性(a) k(b) C(c) Al-TIM 界面熱阻（ITR）。帶有誤差棒的符號為 SPS 測量值，實線為擬合趨勢線

Part.3

研究總結(jié)

論文提出的方波脈沖源（SPS）熱反射法，可在壓縮載荷下同時測量熱界面材料（TIM）的熱導(dǎo)率（k）、體積熱容（C）和界面熱阻（ITR），無需事先假定 C 值。通過對導(dǎo)熱凝膠、墊片和高真空硅脂的加載-卸載實驗發(fā)現(xiàn)：凝膠和墊片的 k、C 和 ITR 均隨壓力顯著變化且存在明顯滯后，表明體材料狀態(tài)與界面貼合發(fā)生了不可逆演變；而硅脂僅 ITR 隨壓力降低，k 和 C 幾乎不變，呈現(xiàn)界面主導(dǎo)的響應(yīng)。結(jié)論表明，TIM 在實際組裝中是受壓力和加載歷史控制的狀態(tài)依賴量，其準(zhǔn)確表征需同時考慮三個參數(shù)，并為預(yù)壓縮設(shè)計和界面優(yōu)化提供了直接指導(dǎo)。

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