由市场开发经理 Olivier Mathieu 发表
先进电子解决方案
在电源模块设计阶段，工程师选择的组件、材料和制造技术要满足客户设定的性能、可靠性和成本要求。在安全性、可靠性和性能至关重要时，过度设计可能是必要的。但是，随着每一代新模块的出现，性价比（或每美元瓦数）均会更上一层楼。因此，工程师必须通过模块模拟以在限制范围内安全运行。尤其陶瓷板原料的热导率及其温度稳定性是稳健且具有成本效益的设计必须考虑的重要参数。让我们一起深入了解热导率的测定方法及其准确性。
热导率体现的是能量因温度梯度原因而以热量的形式通过物体进行传递。这是均匀材料中体现导热能力的一个固有属性。该属性与材料的大小、形状或方向无关。可使用以下等式进行计算：λ(T) = ρ(T) * cp(T) * a(T)
其中：
λ(T)：热导率 [W/m*K]
ρ(T)：密度 [g/cm3]
cp(T)：比热容 [J/g*K]
a(T)：热扩散率 [mm2/s]
密度描述的是材料的质量和体积之间的关系。比热容是指一克材料的温度每增加一度所需的热量。热扩散率则体现材料对温度变化的反应速度。
热扩散率通常使用激光闪光法（LFA）来测定。其可在一端采用短能量脉冲加热样品，同时在另一端分析温度变化。这要求使用千分尺精确测量样品厚度。测量探针应足够尖锐，以排除因样品弯曲而引起的任何误差。而且，薄样品要涂有石墨，以确保与激光源耦合良好。此外，需采用致密且非常均匀的石墨层以避免发生测量误差。在这方面，手工喷涂石墨容易出错，应首选自动喷涂系统。最后，测量结果还取决于激光器的脉冲宽度。最后，热扩散率的测量不确定性范围通常在3%内。
材料的比热容通常通过测量材料样品的热容并将其除以样品质量来确定。差示扫描量热法（DSC）是用于估算材料热容最常用的热分析方法。DSC测量要求将样品密封在样品盘中，以免样品与熔炉和/或传感器直接接触。要特别注意样品盘的选择和处理，因为这会对测量结果的可重复性产生重大影响。该测量方法的不确定性范围通常为5%。
密度是由热膨胀系数（CTE）测量结果和室温下的密度ρ0（RT）共同确定的随温度ρ（T）而变化的函数。常温中的密度可通过浮力法进行测量。测量需在两种不同的介质（通常是空气和液体）中对样品称重两次。利用已知的空气和所施加液体的密度，可以计算出样品的密度。薄陶瓷的密度测定听起来容易，实施时需要特别注意。通过热机械分析（TMA）测定热膨胀系数α（T）。将薄陶瓷堆叠到所需的3mm样品厚度。这会导致样品不均匀，且会因温度作用而出现变形问题。最后，仅在z方向上确定α（T）。同样，该测量方法的不确定性范围通常在5%内。
最终，根据测量结果及三个变量的不确定性来计算热导率。这样的不确定性会更高，范围通常在20%内。然而，多年来我们已测定和计算过陶瓷材料和各种供应商的热导率。热导率取决于温度，随温度升高而降低。这些数值对于给定功率模块的热性能模拟特别有用，可按要求提供。
总而言之，热导率的测定是一项挑战性很强的任务。需了解样品相关信息，包括样品的几何结构、尺寸和制备方法。另一个先决条件是了解测试技术的基本原理和程序。最后，需要注意可能对结果有影响的潜在错误源。
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标签：
Olivier's Twist 博客, 通用工业
发布于 2020 年 7 月 28 日
