CN108535313A - 一种用热线法测量两固体之间界面热阻的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用热线法测量两固体之间界面热阻的方法，(1)制备两个测量样品；(2)利用有限元的方法对测量样品建立三维传热模型；(3)将材料属性赋予计算模型，设置模型中的界面存在热阻；(4)给定热阻值的范围，遍历所有的热阻阻值R求解计算模型；(5)绘制三维传热模型的界面热阻R的曲线族；(6)对实际材料使用热线法测量，绘制实际测量的热阻曲线图；(7)将实际得到热阻曲线与标准热阻曲线图谱对比，可以得到该实际热阻的范围。能对界面热阻进行较为准确的测量，并且降低测量界面热阻的费用，同时降低了测量时间，提高了测量界面热阻的速率。

Description

一种用热线法测量两固体之间界面热阻的方法
技术领域
本发明涉及一种测量热阻的方法，具体是一种用热线法测量两固体之间界面热阻的方法。
背景技术
在两物体的接触界面产生的热阻，称为接触热阻。对接触热阻的研究最早起源于液氦和铜表面之间的“Kapitza”热阻，随后很多学者对两固体表面接触的界面热阻(TCR)进行了广泛而深入的研究。接触热阻是电子器件设计中的一个重要参数，如微电子封装中纳米结构的IC设计、表面镀膜材料、热电器件、超导薄膜、半导体薄膜，LED封装设计、光学数据存取器、超短脉冲激光器、低温超导绝缘、高功率芯片设计等。
长期以来，对接触热阻的研究始于对材料界面接触热阻的测量方法。目前界面接触热阻测量方法最常用的是稳态法：在两接触样品上维持一定的温差，测量两样品轴向上的温度值，再由傅里叶定律外推至接触界面处从而得到界面上的温差；热流量可由热流量计测量或由样品材料的热导率和温度梯度计算得到，从而R＝|T1-T2|/Q。瞬态法也是一种常用的接触热阻实验测量方法，其主要包括激光光热测量法、热成像法、“flash”闪光法、激光光声法等。
对于稳态法测量界面热阻其测量速度非常的慢，因此测量效率较低，并且其测量设备想要达到较高的测量精度需要较高的费用。对于现有的瞬态测量，虽然其测量速度较快，但测量条件为均匀介质，其设备购买费用较高，初期投入较大。
发明内容
针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种用热线法测量两固体之间界面热阻的方法，不仅测量速度快，且能够对界面热阻进行准确测量，同时投入费用低廉。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种用热线法测量两固体之间界面热阻的方法，包括以下步骤：
步骤一：首先制备测量样品，所述测量样品的厚度记为t、长度记为a、宽度记为b，所述测量样品包括材料Ⅰ和材料Ⅱ，所述材料Ⅰ与材料Ⅱ的接触面为界面，所述测量样品制备两个，将两个测量样品材料Ⅱ的面对置叠放；
步骤二：将步骤一对置叠放的两个测量样品，定义为一个整体，以测量样品的界面为分界面，从上至下依次设置为A计算域、B计算域和C计算域；利用有限元的方法并根据热线法测量样品的过程对该整体建立三维传热模型，
所述A计算域的控制方程式为：
所述B计算域的控制方程式为：
所述C计算域的控制方程式为：
ρ1、ρ2分别为材料Ⅰ与材料Ⅱ的密度；Cp,1、Cp,2分别为材料Ⅰ与材料Ⅱ的定压比热容；k1、k2分别为材料Ⅰ与材料Ⅱ的热导率；T为温度，t是时间；
Qb为单位时间内热线产生的热量，其值由公式(4)描述：
n：为单位法向量，q为热流密度；
步骤三：将步骤二整体的几何中心处定义为线热源，将材料属性赋予三维传热模型，并设置三维传热模型中的界面存在热阻R，该处边界条件由公式(5)描述：
T1为界面靠近计算域B侧的温度，T2为界面靠近计算域A、C处的温度；
计算三维传热模型中其它边界条件设置为热绝缘，该处边界条件由公式(6)描述；
-n·q＝0 (6)
步骤四：给定热阻R的范围，选取计算步长d，遍历范围内可能取得的热阻阻值，即逐一求解当R＝R1+nd(n＝0、1、2、3……)时的计算三维传热模型；
步骤五：记录三维传热模型中热线温度随时间变化的数据，求解不同热阻下的热线温度随时间的变化结果，绘制模拟热阻曲线图谱，得到一组关于界面热阻R的曲线族；
步骤六：对步骤一制成的测量样品的实际材料使用热线法测量，读取热线温度Tr随时间变化的数据，得到实际测量的热阻曲线；
步骤七：将实际测量的热阻曲线与三维传热模型中的模拟热阻曲线图谱进行对比，找到离实际测量的热阻曲线距离最近的两条模拟热阻曲线，并找出模拟热阻曲线对应的热阻值，这样就可以得到两固体之间界面热阻的范围，最后使用插值法得到界面热阻值。
进一步，所述步骤五中模拟热阻曲线图谱为ΔT–lnt的图线图谱。
进一步，所述步骤五中模拟热阻曲线图谱为ΔT–t的图线图谱。
进一步，所述步骤六中实际测量的热阻曲线为ΔTr–lnt的曲线。
进一步，所述步骤六中实际测量的热阻曲线为ΔTr-t的曲线。
进一步，所述材料Ⅰ和材料Ⅱ为相同材质或不同材质。
进一步，所述测量样品的厚度t＝6mm，长度a<50mm、宽度记为b<50mm。
与现有技术相比，本发明通过有限元的方法建立三维传热模型，求解不同热阻下的热线温度随时间的变化结果，利用现有热线法的测量设备对测量样品进行测量，绘制的ΔT–lnt图线图谱与实际测量样品的ΔTr–lnt曲线对比，或绘制ΔT–t图线图谱与实际测量样品的ΔTr–t曲线对比，得到了实际热阻的范围，再使用插值法得到界面热阻值；通过此方法不仅测量速度快，精度准确，而且利用已有设备，不必再次投入设备成本，费用低廉，节省了资金。
附图说明
图1是本发明测量样品的结构示意图；
图2是本发明计算传热物理模型的示意图；
图3是本发明的工作流程图。
图中，1、材料Ⅰ，2、材料Ⅱ，3、界面，4、A计算域，5、B计算域，6、C计算域，7、线热源。
具体实施方式
下面将对本发明作进一步说明。
如图1-图3所示，本发明的具体步骤如下：一种用热线法测量两固体之间界面热阻的方法，包括以下步骤：
步骤一：首先制备测量样品，所述测量样品的厚度记为t、长度记为a、宽度记为b，所述测量样品包括材料Ⅰ1和材料Ⅱ2，所述材料Ⅰ1与材料Ⅱ2的接触面为界面3，材料Ⅰ1与材料Ⅱ2的厚度可以根据实验需要设置，在此实施例中，材料Ⅰ1与材料Ⅱ2的厚度各占测量样品厚度的1/2，所述测量样品制备2个，将测量样品材料Ⅱ2的面对置叠放；
步骤二：将步骤一对置叠放的两个测量样品，定义为一个整体，以测量样品的界面3为分界面，从上至下依次设置为A计算域4、B计算域5和C计算域6；利用有限元的方法并根据热线法测量样品的过程对该整体建立三维传热模型，
所述A计算域4的控制方程式为：
所述B计算域5的控制方程式为：
所述C计算域6的控制方程式为：
ρ1、ρ2分别为材料Ⅰ1与材料Ⅱ2的密度；Cp,1、Cp,2分别为材料Ⅰ1与材料Ⅱ2的定压比热容；k1、k2分别为材料Ⅰ1与材料Ⅱ2的热导率；T为温度，t是时间；
Qb为单位时间内热线产生的热量，其值由公式(4)描述：
n为单位法向量，q为热流密度，P0为实际热线法的功率,a为样品的长度；
步骤三：将步骤二的整体的几何中心处定义为线热源7，将材料属性赋予三维传热模型，并设置三维传热模型中的界面存在热阻R，该处边界条件由公式(5)描述：
T1为界面靠近计算域B侧的温度，T2为界面靠近计算域A、C处的温度；
计算三维传热模型中其它边界条件设置为热绝缘，该处边界条件由公式(6)描述；
-n·q＝0 (6)
步骤四：给定热阻R的范围，选取计算步长d，遍历范围内可能取得的热阻阻值，即逐一求解当R＝R1+nd(n＝0、1、2、3……)时的计算三维传热模型；
步骤五：记录三维传热模型中热线温度随时间变化的数据，求解不同热阻下的热线温度随时间的变化结果，绘制模拟热阻曲线图谱，得到一组关于界面热阻R的曲线族；
步骤六：对步骤一制成的测量样品的实际材料使用热线法测量，读取热线温度Tr随时间变化的数据，得到实际测量的热阻曲线；
步骤七：将实际测量的热阻曲线与三维传热模型中的模拟热阻曲线图谱进行对比，找到离实际测量的热阻曲线距离最近的两条模拟热阻曲线，并找出模拟热阻曲线对应的热阻值，最后使用插值法得到界面热阻值。
进一步，所述步骤五中的模拟热阻曲线图谱为ΔT–lnt的图线图谱，最终得到一组关于界面热阻R的曲线族；该图谱中有n条曲线，而且每一条曲线都包含两种斜率(k1、k2)的折线，同时在第一段斜率为k1的直线下，n条曲线是重合的，第二段斜率为k2的直线会随热阻值R的变化而变化。
进一步，所述步骤五中的模拟热阻曲线图谱为ΔT–t的图线图谱，最终得到一组关于界面热阻R的曲线族；该图谱中有n条曲线。
进一步，所述步骤六中实际测量的热阻曲线为ΔTr–lnt的曲线。
进一步，所述步骤六中实际测量的热阻曲线为ΔTr-t的曲线。
进一步，所述材料Ⅰ1和材料Ⅱ2为相同材质或不同材质，所述方法适用于任何材料。
进一步，所述测量样品的厚度t＝6mm，长度a<50mm、宽度记为b<50mm。这里的尺寸要求是根据热线法测试仪决定的。
本发明通过有限元的方法建立三维传热模型，求解不同热阻下的热线温度随时间的变化结果，将绘制的ΔT–lnt图线图谱与实际测量样品得到的ΔTr–lnt曲线对比，或将绘制ΔT–t图线图谱与实际测量样品得到的ΔTr–t曲线对比，便得到了实际热阻的范围，使用插值法得到界面热阻值；通过此方法不仅测量速度快，精度准确，而且投入费用低廉，节省了资金。

Claims (7)

1.一种用热线法测量两固体之间界面热阻的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：首先制备测量样品，所述测量样品的厚度记为t、长度记为a、宽度记为b，所述测量样品包括材料Ⅰ和材料Ⅱ，所述材料Ⅰ与材料Ⅱ的接触面为界面，所述测量样品制备两个，将两个测量样品材料Ⅱ的面对置叠放；
步骤二：将步骤一对置叠放的两个测量样品，定义为一个整体，以测量样品的界面为分界面，从上至下依次设置为A计算域、B计算域和C计算域；利用有限元的方法并根据热线法测量样品的过程对该整体建立三维传热模型，
所述A计算域的控制方程式为：
所述B计算域的控制方程式为：
所述C计算域的控制方程式为：
ρ1、ρ2分别为材料Ⅰ、材料Ⅱ的密度；Cp,1、Cp,2分别为材料Ⅰ、材料Ⅱ的定压比热容；k1、k2分别为材料Ⅰ、材料Ⅱ的热导率；T为温度，t是时间；
Qb为单位时间内热线产生的热量，其值由公式(4)描述：
n为单位法向量，q为热流密度，P0为实际热线法的功率,a为样品的长度；
步骤三：将步骤二的整体的几何中心处定义为线热源，将材料属性赋予三维传热模型，并设置三维传热模型中的界面存在热阻R，该处边界条件由公式(5)描述：
T1为界面靠近计算域B侧的温度，T2为界面靠近计算域A、C处的温度；
计算三维传热模型中其它边界条件设置为热绝缘，该处边界条件由公式(6)描述；
-n·q＝0 (6)
步骤四：假定热阻R的范围，选取计算步长d，遍历范围内可能取得的热阻阻值，即逐一求解当R＝R1+nd(n＝0、1、2、3……)时的计算三维传热模型；
步骤五：记录三维传热模型中热线温度随时间变化的数据，求解不同热阻下的热线温度随时间的变化结果，绘制模拟热阻曲线图谱，得到一组关于界面热阻R的曲线族；
步骤六：对步骤一制成的测量样品的实际材料使用热线法测量，读取热线温度Tr随时间变化的数据，得到实际测量的热阻曲线；
步骤七：将实际测量的热阻曲线与三维传热模型中的模拟热阻曲线图谱进行对比，找到离实际测量的热阻曲线距离最近的两条模拟热阻曲线，并找出模拟热阻曲线对应的热阻值，这样就可以得到两固体之间界面热阻的范围，最后使用插值法得到界面热阻值。
2.根据权利要求1所述的一种用热线法测量两固体之间界面热阻的方法，其特征在于，所述步骤五中模拟热阻曲线图谱为ΔT–lnt的图线图谱。
3.根据权利要求1所述的一种用热线法测量两固体之间界面热阻的方法，其特征在于，所述步骤五中模拟热阻曲线图谱为ΔT–t的图线图谱。
4.根据权利要求2所述的一种用热线法测量两固体之间界面热阻的方法，其特征在于，所述步骤六中实际测量的热阻曲线为ΔTr–lnt的曲线。
5.根据权利要求3所述的一种用热线法测量两固体之间界面热阻的方法，其特征在于，所述步骤六中实际测量的热阻曲线为ΔTr-t的曲线。
6.根据权利要求1所述的一种用热线法测量两固体之间界面热阻的方法，其特征在于，所述材料Ⅰ和材料Ⅱ为相同材质或不同材质。
7.根据权利要求1所述的一种用热线法测量两固体之间界面热阻的方法，其特征在于，所述测量样品的厚度t＝6mm，长度a<50mm、宽度记为b<50mm。
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