微观热成像技术在填充聚合物热接触电阻研究中的突破与应用

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微观热成像技术在填充聚合物热接触电阻研究中的突破与应用（ DOI: 10.1088/1361-6501/acec8f）

随着电子设备功率密度的不断提升，热管理成为保障器件性能与可靠性的关键环节。填充聚合物因其良好的加工性和可调的热导率，广泛应用于热界面材料（TIMs）中。然而，填充聚合物与金属或其他固体表面之间的热接触电阻（TCR）往往成为限制整体热传导效率的瓶颈。传统方法难以揭示其微观机制，而Oliver Roser等人于2023年发表的研究，提出了一种基于微观热成像（Micro Thermography）**的新型测量方法，为深入理解TCR提供了全新视角。

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一、研究背景与挑战
填充聚合物通过掺入高导热填料（如氧化铝、铝、氢氧化铝等）可显著提升其热导率，但在实际应用中，聚合物与固体表面之间的接触界面往往存在热阻。传统测量方法，如稳态圆柱法（ASTM D5470）或激光闪射法（LFA），主要关注宏观热导率，难以揭示界面处的微观热传输机制。
此外，TCR通常被视为表面现象，通过“零间隙外推法”估算。然而，由于填充聚合物的微观结构高度非均质，TCR实际上是一个体积性现象，其受热流路径、粒子排列、表面粗糙度等多种因素影响。因此，亟需一种具备高空间分辨率、非接触式、可定量分析微观热阻分布的新方法。

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二、微观热成像方法的提出与实现
本研究设计并搭建了一套微观热成像测量系统，采用Infratec VarioCAM® HD head 980红外热像仪，配备0.5×近摄镜头，实现了14.8 μm的空间分辨率。样品被夹在上下铝条之间，通过控制温差建立一维稳态热流，红外相机从侧面捕捉温度分布图像。
该方法的核心优势包括：

• 非接触测量：避免传感器干扰温度场；
• 像素级分辨率：可识别局部热阻异常；
• 体积性分析：不仅评估表面接触，还揭示边界层内的热传输行为；
• 校准热流法：通过参考样品与温差测量，消除系统误差。
  

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三、关键实验发现1. 热接触电阻显著受热流路径微观结构影响
研究发现，TCR对填料体积分数、粒径、材料导热性等参数高度敏感：

• 粒径越大，TCR越高：大颗粒难以与表面形成紧密接触，导致热流路径变长；
• 填料含量适中（约50%）时TCR最低：过低则缺乏有效热桥，过高则易形成团聚；
• 高导热填料（如铝粉）显著降低TCR：其热导率远高于氧化铝和氢氧化铝；
• 表面粗糙度影响局部接触概率：粗糙表面更易形成粒子-表面接触，降低局部热阻波动。
  

2. 边界层行为揭示TCR本质
传统方法将TCR视为“界面”现象，而本研究通过空间分辨分析发现：

• TCR实际上分布在数十至数百微米的边界层内；
• 边界层厚度与粒径相当，通常为3~4倍D₅₀；
• 在该区域内，热流受粒子排列、聚合物层厚度、局部接触点控制；
• 在薄层样品中（<600 μm），整个层几乎都表现为边界层行为，无法区分“体区”与“接触区”。
  

3. 薄层样品中TCR主导整体热阻
在厚度仅为596 μm的薄层中，研究发现：

• 无法通过传统“零间隙外推法”分离体区与接触区；
• 整个热阻几乎由边界层主导；
• 实际测得热阻比理论预测低28%，说明传统方法在薄层条件下存在显著误差。
  

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四、方法验证与不确定性分析
为验证新方法的可靠性，研究者将其与ASTM D5470（稳态法）和ASTM E1461（LFA法）进行对比，三者结果平均偏差在12.9%以内，验证了微观热成像法的准确性。
同时，研究系统分析了测量不确定性来源：

• 参考样品热导率误差是主要误差源，占总不确定性的70%；
• 温度差测量波动对高阻样品影响更大；
• 局部线性回归误差对接触热阻评估影响约1~2%；
• 随机误差（如局部粒子分布不均）可导致TCR在样品表面波动高达25%。
  

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五、工程启示与未来展望
本研究为填充聚合物在热界面材料中的应用提供了微观层面的理论依据与实验支持，主要启示包括：

• 优化填料设计：采用小尺寸、高导热、球形填料，控制体积分数在50%左右，可显著降低TCR；
• 界面工程重要性强于整体热导率：在薄层应用中，TCR主导整体热性能，需优先优化界面结构；
• 传统方法局限性明显：在薄层或非均质材料中，必须采用空间分辨方法才能准确评估热性能；
• 微观热成像法具备推广潜力：可用于弹性、黏弹性聚合物、商用TIM材料及不同压力条件下的研究。
  

未来，研究团队计划：

• 拓展至多模粒径分布与混合填料体系；
• 建立微观尺度数值模型，进一步揭示热传输机制；
• 引入压力控制模块，研究压应力对TCR的影响；
• 推动该方法在工业TIM开发与可靠性评估中的应用。
  

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结语Oliver Roser等人的研究不仅提出了一种新颖、精确、可视化的热接触电阻测量方法，更从根本上改变了我们对填充聚合物热传输行为的理解。TCR不再是“界面”问题，而是一个跨越多颗粒层的三维热传输问题。这项研究为高性能热界面材料的设计、表征与优化提供了强有力的工具，也为微电子、电动汽车、光电子等领域的热管理技术带来了新的突破契机。