激光导热仪设备原理

本文介绍激光导热仪

微纳电子器件和光电器件向着模块化、集成化、高频化及小型化的方向不断迈进，使其单位面积上的热通量急剧增加，温度的剧增严重影响了器件的可靠性和使用寿命。‘heat death-热死’问题也成为半导体产业发展前进中的巨大障碍。为了避免电子器件的热失控问题，目前主要采用各种热界面材料来提升散热能力【物理学报， 2023， 72（23）： 234401.】。热界面材料（Thermal interface materials）是一种用于辅助散热的材料，通过填补两种材料接合处的空隙减少界面热阻，从而加快散热。目前已经开发的热界面材料包括导热硅脂、导热凝胶、导热垫片、石墨片等等【SusMat. 2024;e239.】，对各种材料的散热能力进行准确的测量是评价其性能好坏的关键，本专题将聚焦于宏观热界面材料的导热性能的相关测试方法，主要包括：激光闪射法（laser flash analyzer）、稳态热流法（steady-state method）、热盘法（hotdisk）、差式扫描量热仪等等，本文将首先介绍激光闪射法（后文简称LFA），从基本的设备结构介绍、测试原理和误差分析展开。

设备介绍

激光闪射法是一种被广泛用于测量材料热扩散系数的方法，最早由 W.J. Parker 等人于 1961 年提出【J. Appl. Phys. 32，（1961）1679-1684】。激光闪射法，也被称作激光法或闪光法。主要利用激光源或闪光氙灯发出的能量脉冲作为热源照射样品表面，样品吸收脉冲光后，背面温度升高，产生的温度变化通过红外探测器接收并记录，通过分析软件分析得到热扩散系数，再结合材料的热容和密度可得到材料的热导率。

设备主要由激光系统、炉体、检测器与信号采集系统、样品支架等部分组成：激光系统需提供不同脉冲能量和脉冲宽度的激光，适用于不同的样品；炉体需保证较好的真空密闭结构，在特殊型号设备中还可以提供不同的炉体温度和气氛；检测器是温度测量的重要部分，需实现对样品背面温度的精准测量；信号采集系统则需要具备较快的采集速度和信号分辨率，保证对样品温度的实时捕捉记录；针对不同尺寸和不同材质的样品可根据需要切换不同的样品支架。

激光闪射法可配备不同尺寸的测试支架满足不同尺寸、材质样品的测试需求，导热测量范围广，可测量除绝热材料以外的绝大部分材料，特别适合于中高导热系数材料的测量。除常规的固体片状材料测试外，还可测量诸如液体、粉末、纤维、薄膜、熔融金属、基体上的涂层、多层复合材料、各向异性材料等特殊样品的热传导性能（合适的夹具或样品容器，选用合适的热学计算模型）。

设备原理

工作过程中，由炉体控制材料的恒温和绝热条件（加热元件或液氮用以测量不同温度下的热扩散系数，真空泵用以降低炉体真空度以尽可能接近绝热条件），光源发射光脉冲用以加热样品，红外探测器用以检测温度变化。若光脉冲宽度接近于无限小或相对于样品半升温时间近似可忽略，热量在样品内部的传导过程可抽象为理想的由下表面至上表面的一维传热、不存在横向热流，且外部测量环境为理想的绝热条件。将绝热边界条件和脉冲加热的初始条件带入一维导热方程，得到厚度方向不同位置的温度表达式，然后通过约化

归一化

变量代换

即可得到归一化温度与含时间变量w的关系。

在后表面温度上升为所能达到的最高温度一半时，对应w为1.38，对应的热扩散系数为：

误差分析

较好涂覆状态的样品：石墨涂覆，金涂覆

实际的测试过程中，很多样品对可见光和红外光的吸收较弱（透明、高反射率、低发射率），需要在样品表面涂一层石墨或者金属膜作为吸收层，但涂覆层的厚度和均匀度很难控制，会对温度测量造成影响。

激光导热仪结构示意图

该方法采用红外探测器实现对温度测量，这种非接触式的测温方法测量精度有限；通常采用机械泵实现低真空，所能达到的最低真空度有限，很难达到理论上的理想绝热条件，腔体内也会存在热辐射和热对流，以及与样品支架间的热传导，都会使实际测量条件偏离理论模型；样品的厚度也是决定最终结果的重要物理量（膜厚仪），较软的样品、材料两边不平行、不均匀都会导致厚度测量不准确，进而导致热扩散系数的误差；通常报道的热导率为热扩散系数与热容（差式扫描量热仪）和密度（密度计）的差值，热容和密度测量的误差也会传导至热导率的误差。

结语

热测量方法没有最好的，只有最合适的。为了得到更准确的测量结果需要我们对多种测量方法的基本原理有所了解，根据测量样品的特性和设备的要求去选择最合适的方法。此外也要注意对测量结果有关键影响的参数测量，尽可能避免中间过程导致的误差。