本文介紹激光導熱儀

微納電子器件和光電器件向著模塊化、集成化、高頻化及小型化的方向不斷邁進，使其單位面積上的熱通量急劇增加，溫度的劇增嚴重影響了器件的可靠性和使用壽命。‘heat death-熱死’問題也成為半導體產業發展前進中的巨大障礙。為了避免電子器件的熱失控問題，目前主要采用各種熱界面材料來提升散熱能力【物理學報， 2023， 72（23）： 234401.】。熱界面材料（Thermal interface materials）是一種用于輔助散熱的材料，通過填補兩種材料接合處的空隙減少界面熱阻，從而加快散熱。目前已經開發的熱界面材料包括導熱硅脂、導熱凝膠、導熱墊片、石墨片等等【SusMat. 2024;e239.】，對各種材料的散熱能力進行準確的測量是評價其性能好壞的關鍵，本專題將聚焦于宏觀熱界面材料的導熱性能的相關測試方法，主要包括：激光閃射法（laser flash analyzer）、穩態熱流法（steady-state method）、熱盤法（hotdisk）、差式掃描量熱儀等等，本文將首先介紹激光閃射法（后文簡稱LFA），從基本的設備結構介紹、測試原理和誤差分析展開。

設備介紹

激光閃射法是一種被廣泛用于測量材料熱擴散系數的方法，最早由 W.J. Parker 等人于 1961 年提出【J. Appl. Phys. 32，（1961）1679-1684】。激光閃射法，也被稱作激光法或閃光法。主要利用激光源或閃光氙燈發出的能量脈沖作為熱源照射樣品表面，樣品吸收脈沖光后，背面溫度升高，產生的溫度變化通過紅外探測器接收并記錄，通過分析軟件分析得到熱擴散系數，再結合材料的熱容和密度可得到材料的熱導率。

設備主要由激光系統、爐體、檢測器與信號采集系統、樣品支架等部分組成：激光系統需提供不同脈沖能量和脈沖寬度的激光，適用于不同的樣品；爐體需保證較好的真空密閉結構，在特殊型號設備中還可以提供不同的爐體溫度和氣氛；檢測器是溫度測量的重要部分，需實現對樣品背面溫度的精準測量；信號采集系統則需要具備較快的采集速度和信號分辨率，保證對樣品溫度的實時捕捉記錄；針對不同尺寸和不同材質的樣品可根據需要切換不同的樣品支架。

激光閃射法可配備不同尺寸的測試支架滿足不同尺寸、材質樣品的測試需求，導熱測量范圍廣，可測量除絕熱材料以外的絕大部分材料，特別適合于中高導熱系數材料的測量。除常規的固體片狀材料測試外，還可測量諸如液體、粉末、纖維、薄膜、熔融金屬、基體上的涂層、多層復合材料、各向異性材料等特殊樣品的熱傳導性能（合適的夾具或樣品容器，選用合適的熱學計算模型）。

設備原理

工作過程中，由爐體控制材料的恒溫和絕熱條件（加熱元件或液氮用以測量不同溫度下的熱擴散系數，真空泵用以降低爐體真空度以盡可能接近絕熱條件），光源發射光脈沖用以加熱樣品，紅外探測器用以檢測溫度變化。若光脈沖寬度接近于無限小或相對于樣品半升溫時間近似可忽略，熱量在樣品內部的傳導過程可抽象為理想的由下表面至上表面的一維傳熱、不存在橫向熱流，且外部測量環境為理想的絕熱條件。將絕熱邊界條件和脈沖加熱的初始條件帶入一維導熱方程，得到厚度方向不同位置的溫度表達式，然后通過約化

歸一化

變量代換

即可得到歸一化溫度與含時間變量w的關系。

在后表面溫度上升為所能達到的最高溫度一半時，對應w為1.38，對應的熱擴散系數為：

誤差分析

較好涂覆狀態的樣品：石墨涂覆，金涂覆

實際的測試過程中，很多樣品對可見光和紅外光的吸收較弱（透明、高反射率、低發射率），需要在樣品表面涂一層石墨或者金屬膜作為吸收層，但涂覆層的厚度和均勻度很難控制，會對溫度測量造成影響。

激光導熱儀結構示意圖

該方法采用紅外探測器實現對溫度測量，這種非接觸式的測溫方法測量精度有限；通常采用機械泵實現低真空，所能達到的最低真空度有限，很難達到理論上的理想絕熱條件，腔體內也會存在熱輻射和熱對流，以及與樣品支架間的熱傳導，都會使實際測量條件偏離理論模型；樣品的厚度也是決定最終結果的重要物理量（膜厚儀），較軟的樣品、材料兩邊不平行、不均勻都會導致厚度測量不準確，進而導致熱擴散系數的誤差；通常報道的熱導率為熱擴散系數與熱容（差式掃描量熱儀）和密度（密度計）的差值，熱容和密度測量的誤差也會傳導至熱導率的誤差。

結語

熱測量方法沒有最好的，只有最合適的。為了得到更準確的測量結果需要我們對多種測量方法的基本原理有所了解，根據測量樣品的特性和設備的要求去選擇最合適的方法。此外也要注意對測量結果有關鍵影響的參數測量，盡可能避免中間過程導致的誤差。