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熱傳導分析儀3
https://www.amtech.com.tw/custom_132103.html 熱傳導係數及方程式 熱傳導係數及方程式 熱傳導係數及方程式      約瑟夫·傅立葉（Joseph Fourier）提出了描述熱傳導的方程式，其表示式如下：       在這個方程中， q’’  代表熱傳通量（W/m²），表示單位面積的熱傳量，Q.A代表熱傳量（W），A 表示垂直熱傳方向的面積（m²）。在一維情況下，方程可以簡化為：        其中，k 是熱傳導係數，dTdx 表示沿著熱傳方向的溫度梯度。         一般情況下，材料的熱傳導係數並非常數，而是與溫度有關。可以大致表示為：        其中，k0 是參考溫度 T0 時的熱傳導係數，α 是溫度係數，其數值與材料有關。在本文中，T0 為 0°C，因此 ΔT = T，即       在穩態狀態下，q’’ 被視為一定值。將 k 的值代入方程中，可以得到        如果方程由溫度 T1 積分到 T2 ，則可以得到       其中 km 是在平均溫度下的熱傳導係數，表示為 mk，其介於 T1 到 T2 之間的平均值。因此，方程式可以寫成        其中 q’’  為 Q.A，若 A 不隨 L 改變，則上式之積分可表示為​        在一維穩態狀態下，q’’  為一定值，溫度梯度與熱傳導係數成反比。我們可以利用上式來量測未知物的熱傳導係數，做法是將一片已知厚度的未知試片夾在已知熱傳導係數的銅柱之間，量測銅柱上的溫度分佈。為了維持一維穩態的假設，銅柱外通常都以絕熱材料包覆，而銅柱的兩端則保持固定的溫度。由於 q’’  為一定值，溫度梯度與熱傳導係數成反比。即       我們可以利用上式來量測未知物的熱傳導係數，由於未知試片的熱傳導係數與銅柱的熱傳導係數不同，在跨越未知試片的位置上，溫度梯度會有明顯的變化。若已知銅柱的熱傳導係數，量測銅柱與未知試片的溫度梯度即可算出未知試片的熱傳導係數。
https://www.amtech.com.tw/custom_121614.html 熱傳導原理 熱傳導原理 熱傳導基本原理       熱能是物質的一種表徵物理性質，因熱能與物體的位置與速度無關，僅和其內部狀態有關，因此熱能又被稱為物質的內能。熱能在宏觀的體現便是溫度，而在微觀下便是指分子的熱運動的劇烈程度。  *氣體分子在微觀下的運動情形（圖源：Wikipedia）         一般來說，一個粒子僅要了解其在三維空間下的運動方向，便可以透過牛頓力學計算它的運動速度。但針對大量的粒子，會有無法計算的自由度量，只能依靠統計方法計算，也就是機率學。根據熱力學與統計物理，熱動能高（高溫）的分子總是在微觀狀態下藉由彈性碰撞中將能量傳給熱動能低（低溫）的分子，我們可以得知熱能總是從高溫傳導至低溫，此過程稱之為熱傳導。而純粹的熱傳導只有在固體當中可以被嚴格定義，因為液體與氣體即便在靜止狀態下，也會因為溫度梯度產生的密度差，從而引發自然對流。      液體與氣體因為分子間距離較大，彼此的碰撞機率遠小於固體，導熱能力較差。固體的熱能體現為晶格震動，藉由晶格間的互相聯繫，熱能可以透過高溫流向低溫。而在金屬物質中，不同於共價鍵與離子鍵，金屬鍵的晶體結構產生了許多自由電子，透過電子的擴散與互相撞擊，以更快的速度傳遞能量。因此金屬通常都是熱的良導體。 *平壁導熱是簡化熱傳導的常見手法之一（圖源：Wikipedia）             工業與日常生活中常見的導熱問題，都是透過平壁作為導熱形狀，如牆壁、玻璃等。而當平壁兩側都維持均勻穩定的溫度，可近似於溫度與熱量僅延垂直壁面的方向變化與傳遞。多數的導熱問題與熱導率的測量，都是基於這種一維穩定態導熱的方式進行。一維情況下的熱傳導定律可以藉由傅立葉定律給出：           其中qx為熱通量密度（W·m-2），dT為溫度變化（K），dx為一維空間變化（m），k稱之為熱導率（W·m-1·K-1）。  
https://www.amtech.com.tw/custom_131965.html 傅立葉熱傳導定律及熱傳導係數 傅立葉熱傳導定律及熱傳導係數       19世紀初，法國物理學家約瑟夫·傅立葉（Joseph Fourier）傅立葉提出了他在熱流上的作品:《熱的解析理論》(Théorie analytique de la chaleur)，其中著名的傅立葉熱傳導定律描述了熱傳導過程中溫度分佈的數學表達式。 傅立葉的熱傳導表示式基於以下假設： 材料是均質和各向同性的。 熱傳導過程是穩態的，即溫度分佈不隨時間變化。 熱傳導過程是線性的，即熱流與溫度梯度成正比。 根據這些假設，傅立葉熱傳導定律可以表示為以下方程式： �=−�����q=−kdxdT​       在這個方程式中，�q 是熱流密度（熱通量單位面積的大小），�k 是材料的熱傳導係數，����dxdT​ 是溫度梯度（溫度變化率）。       這個方程式表明，熱流的方向與溫度梯度成反比。也就是說，熱流從溫度高的地方向溫度低的地方流動。熱傳導係數 �k 描述了材料對熱流的傳遞能力，它越大，材料的熱傳導性能越好。       傅立葉的熱傳導表示式在科學研究和工程應用中具有廣泛的應用，例如在材料科學中用於分析材料的導熱性能、在工程中用於設計散熱系統以及在地球科學中用於研究地球內部的熱傳導過程等。
https://www.amtech.com.tw/custom_121615.html 熱傳/熱阻標準測試法-ASTM D5470 熱傳/熱阻標準測試法-ASTM D5470 ASTM D5470 標準方法Standard Test Method for Thermal Transmission Properties of Thermally Conductive Electrical Insulation Materials       ASTM D5470是由國際標準組織ASTM美國材料試驗協會(American Society for Testing and Materials International)所制定對熱導性電絕緣材料之熱傳輸的標準量測方法。該方法也稱為穩態熱板法，藉由以冷板和熱板對樣品的兩側施加壓力，並給予不同溫度形成溫度梯度，促使熱流量近似全部垂直通過樣品，測試樣品在不同厚度下於熱板與冷板之間的溫度差，來判斷樣品的導熱係數。              ASTM D5470為國內導熱矽膠片的主流量測標準，為薄型導熱電工絕緣材料的傳熱性最常使用的量測手法，此測試方法能模擬樣品在長期使用下的實際情況，並透過熱阻反映導熱係數，特別適合量測熱接觸材料以及接觸熱阻。標準作法：1. 依據樣品區分成3類： Type I 黏體 Viscous ： 施加應力時，可隨意變形之黏性液體。包括液體化合物，如油脂、糊劑、相變材料。這些材料沒有任何彈性行為，且在消除應力後能輕易恢復到初始形狀。 Type II : 黏彈性固體 Viscoelastic solid : 施加之應力會被內部材料應力平衡，從而限制變形的黏彈性固體。包括凝膠、橡膠。這些材料表現出線性彈性特性。 Type III : 彈性固體 Elastic solid : 在施加應力後，形變量可忽略不計的固體。包括陶瓷、金屬與某些塑膠。 2. 將樣品以應力夾緊，根據不同樣品有不同標準：Type I : 稍施加壓力將多餘液體擠出，並加熱使其相變 Type II: 並根據樣品硬度施加10~500psi之壓力使其厚度壓縮約5~10%密合。 Type III: 塗上導熱油，放置於平台上，並施加100~500psi之壓力將多餘的油脂擠出。 3. 樣品必須具備良好的平滑度，且光滑程度在0.4微米內，並平行於5微米內。4. 給予樣品穩定熱流，使樣品的溫度保持為穩定的50℃。5. 當熱阻抗在5分鐘內之變化量小於1%，或是樣品的溫度變化為±0.1℃則表示系統呈現穩定，即可開始記錄。6. 以至少為3個樣品的標準厚度重複做量測。若為需要疊放的樣品，依序量測1層、2層、3層，若為各個不同厚度的樣品，則是單獨測量各樣品。       ASTM D5470作為穩態量測的主要方法，由於熱流在量測中將通過整個樣品，且量測時間較長，所以量測數據將更加接近樣品的實際量測工況。但同樣因為量測中包含到了接觸熱阻，且並沒有對兩側的熱散失做規範，因此量測數據與材料本身的熱傳導係數會有所差異，並且其量測時間容易被拉長。
https://www.amtech.com.tw/custom_121616.html 其他熱傳導量測標準方法 其他熱傳導量測標準方法 熱傳導量測標準       熱傳導的量測標準方法存在好幾種。依照量測方式，主要分成：穩態法、瞬態法穩態法      指讓樣品在長時間、處於穩定的情況下，量測其熱傳導。穩態法的好處在於量測環境與數據通常能夠更接近樣品在使用當中的狀態，相當適合模擬樣品的實際工況。穩態法常應用到熱墊片、熱絕緣層、防火磚、護熱板等材料。穩態法常見的標準有ASTM C177、ASTM C518、ATSM E1530、ASTM D5470。 ASTM C177：護熱板法       護熱板法藉由將熱板置於兩個上下對稱的樣品之間，來讓熱板的能量全部被吸收，再藉由控制護熱板溫度讓兩側之溫度保持平衡來達到有效的護熱控制。 （圖源：ASTM）   ASTM C518：熱流計法       使用熱流計透過平板型樣品，直接量測穩態中的熱傳導。由於熱流計的概念相對簡單且被廣泛使用，所以能夠以更快的方式量測並適用於各種樣品。熱流計法適用情形為環境攝氏10~40度、平板厚度為250毫米以下、板內溫度為攝氏-195~540度。  （圖源：ASTM） ASTM E1530：隔絕熱流計法       ASTM E1530的裝置和方法與ASTM D5470相當類似。主要差異在於ASTM E1530要求要在樣品與加熱、冷卻元件的外側加裝熱絕緣層，以避免熱能的額外散失來提高測量精度。相關應用包含岩石及土壤的熱傳分析，如用於天然氣管路、地下輸電系統，放射性廢棄物的管制、石油管路，地熱及太陽能儲電裝置。理論上可以應用於矽膠片的相關量測，但由於樣品厚度與樣品的上下面溫度的高精度測量具有較高的技術性難度，所以很少使用此手法量測矽膠片。且其量測數據雖更接近物質本身，較不接近真實操作狀況使得常與ASTM D5470和ASTM E1461等方法差異很大。  （圖源：https://www.azom.com/article.aspx?ArticleID=11518） 瞬態法      通常實驗過程能夠很快速的得到量測數據，所以稱為瞬態法。瞬態法能夠節省更多的時間成本，並且因其靈活性，在樣品種類的應用上通常存在更多變化。瞬態法常使用熱脈衝、熱線、閃光法等等來做實驗量測。瞬態法常見的標準有ASTM E1461、ASTM D5930、ISO22007-2等等。 ASTM E1461：閃光法       以高功率的能量脈衝對小而薄的樣品進行短時間內的照射，其能量將被樣品的前表面（受光面）吸收，透過紅外線檢測器記錄後表面（背光面）的溫度變化，來計算樣品的熱導率的實驗手法。該量測手法常應用於薄膜樣品。  （圖源‵:https://www.electronics-cooling.com/2002/05/flash-diffusivity-method-a-survey-of-capabilities/） ASTM D5930：熱絲法       透過將加熱絲通以固定電流使其升溫，利用金屬電阻與溫度的線性關係來量測溫度變化情形，再藉由加熱絲的一部份熱能會被樣品導走，利用加熱絲的阻抗變化計算熱傳導係數。 ISO 22007-2：平面熱源法       將帶有加熱功能的鎳探頭放置於圓形的樣品當中，給予探頭一個固定的加熱功率使其溫度上升，透過鎳的溫度與電阻成線性關係的特性，去了解電阻的變化即可確認熱量的散失，進而對應到樣品所受到的熱流。再藉由探頭本身與圓形樣品邊緣的溫度差異，便可利用數學模型擬合樣品的導熱係數與熱擴散能力。量測過程僅約10分鐘，且實驗的再現性高，並適用各種類型的樣品。缺點在於樣品必須使用均質性高的物質，且不考慮接觸熱阻則無法反映到樣品在實際工況下的熱傳導。   （圖源：https://link.springer.com/article/10.1007/s00339-018-1759-2）
https://www.amtech.com.tw/custom_128366.html 散熱管理與ASTM D5470 散熱管理與ASTM D5470   散熱管理與ASTM D5470       熱管理對於各種電子產品來說都是至關重要的，尤其是在目前當紅的AI伺服器。若這些伺服器不能很好地散熱，其性能將會大幅下降或甚至損壞。       在熱管理方面，熱介面材料（TIMs）的使用是必不可少的，它們可以在不同組件之間傳導熱量。而ASTM D5470是評估TIMs熱傳導性能的業界標準測試方法。       ASTM D5470的測試方法是通過將恆定的熱通量施加到TIMs樣本上，並測量其之間的溫度差異，計算出材料的熱阻(thermal resistance)及熱傳導係數(Thermal conductivity)，以反映其熱傳導性能。這個方法已被廣泛認可，並且被用於評估各種不同種類的TIMs。製造商利用這些數據來設計和優化各種應用的散熱解決方案。       然而，ASTM D5470並不能解決所有的熱管理問題。熱管理工程師需要綜合考慮多種因素，例如散熱材料、空氣流通、設計、功耗和環境等，才能夠提供完整的解決方案。   圖片1：TIMs的應用 圖片2：ASTM D5470測試方法 圖片3：各元件的熱分佈
https://www.amtech.com.tw/custom_121762.html TIM材料 TIM材料              TIM（Thermal Interface Material）材料，又稱為熱界面材料，是熱傳導分析儀常見的樣品對象，常見於IC電路板封裝、元件散熱的材料。一般用來填充在不同材料的接合處空隙，或是一些粗糙不平的表面，藉以提高元件的散熱性能。TIM材料是3C產業供應鏈中的重要角色之一，隨著科技設備的不斷升級，電子產品發展體積的薄型化，又追求更高階的功率，其中的散熱手法便對TIM材料的應用逐漸擴大。      TIM材料根據應用部位分成TIM1與TIM2。TIM1作為焊料導熱材料，通常應用於封裝內的處理器芯片與均熱片之間，主要為金屬等可焊物質。TIM2則是在封裝外，作為壓縮型的界面材料應用於均熱片跟散熱元件之間，主要為導熱用的墊片、黏膠、矽酯等等。      一般來說，機械加工的表面在微觀下皆具備一定程度的粗糙度，這使得元件之間的接觸表面積僅有理想中面積的約10%。而其餘的空隙當中都填充了空氣。然而，空氣不像金屬元件存在大量自由電子協助導熱，空氣是熱的不良導體，導致元件之間或元件和散熱片之間存在相當的接觸熱阻，嚴重限制了散熱功率，造成散熱片的效能低下。TIM材料的功用便是填充於空隙之間，排開空氣並建立有效的熱傳導通道，藉此提高散熱器功效。 *上圖顯示了物質在導熱過程中會因接觸熱阻產生溫度變化的不穩定區域（圖源：https://www.researchgate.net/figure/Schematic-illustrating-the-action-of-thermal-interface-material-which-fills-the-gaps_fig3_320148213）       作為主要功能為填充的TIM材料，理想中應填補所有空隙，但實際上難以達成。影響的參數包含溫度、平整度、材料本身特性，還有楊氏模量（彈性）等等。良好的TIM材料包含柔軟、易壓縮等特性。      市場上的TIM材料超過8成為導熱片、導熱膏與導熱膠，其中又以導熱片占最大部分。而組成物質中以高分子化合物如Silicone、橡皮、環氧樹脂為主，其餘則為金屬及熱相變導熱材。
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