碳素热导率测试仪

1. 问题的提出在研制完成低温高真空环境材料热物理性能测试系统后，开始进行各种材料热导率的测试。低温高真空材料热物理性能测试系统如图1所示，低温高真空腔体如图2所示。在测试过程中发现在一定真空度下热导率测试非常不准确，甚至测试结果非常怪异，真空度会使得试样接触热阻发生巨变而严重影响热导率测试。http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2017/01/201701191700_667317_3384_3.jpg图1 低温高真空环境材料热物理性能测试系统http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2017/10/2016020120342460_01_3384_3.jpg图2 低温高真空腔体为了验证试样接触热阻的影响，针对不同表面状态和硬度的材料进行了验证试验，但选择验证试样的原则是真空度不能造成试样本身的热导率发生变化。1.1. 不同真空度下接触热阻对不锈钢试样热导率测试的影响首先采用表面光滑的刚性金属材料进行验证。如图3和图4所示，将一对已知热导率的不锈钢参考材料放入真空腔内，分别进行常温和不同真空度下的热导率测试，测试结果如图5所示。http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2017/10/2016020120352005_01_3384_3.jpg图3 已知热导率的被测不锈钢试样 http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2017/10/2016020120354782_01_3384_3.jpg图4 不锈钢试样测试状态 http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2017/10/2016020120474812_01_3384_3.png图5 不锈钢试样常温不同真空度下的热导率测试结果在真空度变化前期（真空度大于5000Pa），热导率测试结果还是十分准确和稳定。随着真空度的提高，小于2000Pa时的测试结果明显开始降低，在小于1000Pa后测试结果出从图5所示的测试结果可以看出，现波动甚至无法获得有效的热导率测试数据。这就意味着随着真空度升高，试样与探测器之间的接触热阻逐渐增大，最终巨大的接触热阻和接触热阻分布的不均匀完全破坏了瞬态平面热源法传热测试模型，导致根本无法进行测量。1.2. 不同真空度下接触热阻对低导热硬质泡沫塑料试样热导率测试的影响上述验证试样所选的不锈钢热导率在14W/mK左右，为进一步验证试样接触热阻的影响，我们选择了硬质聚氨酯泡沫塑料进行考核。选择硬质聚氨酯泡沫塑料一是因为这种材料的热导率很低，热导率在0.04W/mK左右；二是因为这种材料是闭孔材料，闭孔率在90%以上，材料热导率随真空度的变化不大。如图6和图7所示，将一对硬质聚氨酯泡沫塑料试样放入真空腔内，分别进行常温和不同真空度下的热导率测试，测试结果如图8所示。 http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2017/10/2016020120443559_01_3384_3.jpg图6 被测硬质聚氨酯泡沫塑料试样http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2017/10/2016020120452836_01_3384_3.jpg 图7 硬质聚氨酯泡沫塑料试样测试状态http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2017/10/2016020120423345_01_3384_3.png图8 硬质聚氨酯泡沫塑料常温不同真空度下的热导率测试结果从图8所示测试结果可以看出，随着真空度升高，热导率数值逐渐降低，最终在真空度升高到5Pa时，热导率从常压下的0.0447W/mK降到了0.0337W/mK，减小了近四分之一。随着真空度的升高，引起聚氨酯泡沫塑料热导率降低主要有两个原因：（1）试样内的部分开孔随着真空度升高而降低热导率，但由于开孔率较低，这种影响不是主要因素。（2）尽管聚氨酯泡沫塑料属于硬质材料并便于加工，但试样的表面粗糙度还是远大于表面光滑的不锈钢试样，所以接触热阻是热导率降低最主要因素。1.3. 测试结果分析由以上两种材料的测试，可以得出以下初步的结论：（1）对于瞬态平面热源法这种试样与探测器夹心测试结构，测试过程中随着真空度的升高，探测器与试样之间的接触热阻会明显增大，这种热阻的增大会给热导率测量带来影响。（2）试样与探测器之间的接触热阻并非均匀分布，随着真空度升高，这种非均匀分布的接触热阻会完全破坏传热测试模型，造成测试结果完全不正确，甚至根本无法进行测量。（3）由于试样表面粗糙度不同，真空度对接触热阻的增加幅值也不相同。如果假设接触热阻等效为一个均匀分布热阻层，接触热阻给热导率测试所带来的影响假设为一个等效热导率，那么在一般情况下，这个热阻层的等效热导率大小为0.01W/mK量级。（4）这种由于真空度升高引发的试样接触热阻增大的现象，是所有真空环境下固体界面热传导中存在的普遍现象。因此，如果不采取一定措施，真空下的试样接触热阻不仅会严重影响瞬态平面热源法的热导率测量，也好严重影响其它所有热导率测试方法的测量准确性。2. 解决方案为了降低和消除真空环境下试样接触热阻对热导率测量结果的影响，最有效的方法就是采用薄的柔性填充物来填充试样与探测器之间的空隙，把真空度的影响降低到最小。为此，我们选用了填充物为导热硅脂、导热硅胶片和镜头纸分别进行试验，以其找到有效的材料和方式。3. 试验验证3.1. 不锈钢参考材料填充导热硅脂的试验验证还是采用表面光滑的刚性金属材料进行验证。如图9和图10所示，将一对已知热导率的不锈钢参考材料测试表面分别涂覆了一层导热硅脂。常温常压下导热硅脂的热导率为3W/mK，这也是目前热导率比较高的导热硅脂，从理论上来说，导热硅脂的热导率越大约好。将涂覆了导热硅脂的试样与探测器夹紧并放入真空腔内，分别进行常温和不同真空度下的热导率测试。添加导热硅脂前后的测试结果对比如图11所示。http://ng1.17img.cn/bbsfiles/image

[color=#990000]摘要：做为新一代半导体材料的3C、4H和6H碳化硅，其显著特点之一是具有比银和铜更高的热导率。热导率是评价这些高导热碳化硅晶圆的重要技术指标，而准确测试碳化硅晶圆热导率则需要对测试方法进行合理的选择。本文将针对高导热碳化硅晶圆，介绍目前常用的几种热导率测试方法，并做出分析，对热导率测试方法的选择给出参考意见。[/color][align=center]~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~[/align][size=18px][color=#990000]一、高导热碳化硅及其常用测试方法[/color][/size]做为新一代半导体材料的3C、4H和6H碳化硅，其显著特点之一是具有比银和铜更高的热导率，如依据日本东芝公司的报道[1]，一些典型半导体材料的物理性能如表1所示。[align=center][color=#990000]表1 一些典型半导体材料的物理性能[/color][/align][align=center][img=超高热导率测试,690,187]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/01/202201281920519981_532_3384_3.png!w690x187.jpg[/img][/align]随着电子科技技术的快速发展，对于高导热碳化硅的测试研究也得到了重视，大量文献报道了对高导热碳化硅热导率测试所进行的测试研究[2-10]，但不同工作之间存在着相互矛盾的测试结果，如4H-SiC的热导率是否高于6H-SiC就存在争议[3,6,7]。更重要的是，根据晶格结构可以判断出4H-和6H-SiC的热导率呈各向异性特征，但由于在测量精度上存在问题，使得之前有些测试研究通常会忽略这种差异[2,4,5]。文献[9]采用光热辐射法测量了6H-SiC的各向异性热导率，文献[10]基于飞秒激光的时域热反射法在250K~450K的温度范围内测量了4H和6H碳化硅的各向异性热导率。从上述文献报道可以看出，目前对于碳化硅高热导率的测试主要集中在激光闪光法、热反射法和稳态法这三类测试方法。本文将针对高导热碳化硅，特别是碳化硅晶圆，介绍目前常用的几种热导率测试方法，并做出分析，对热导率测试方法的选择给出参考意见。[size=18px][color=#990000]二、激光闪光法[/color][/size]闪光法（Flash Method）做为一种经典和广泛应用的热性能测试方法，非常适合1~400W/mK范围内热导率测试。但对于更高热导率材料的测试，特别是高导热碳化硅圆晶这类材料，采用闪光法测试会存在巨大误差， 这主要是由以下几方面因素所造成：（1）闪光法中加热样品前表面的光脉冲宽度一般为几十至几百微秒，在此脉冲宽度内要实现对400W/mK以上的高导热样品进行准确测量，需要样品厚度至少3mm以上，而且随着样品热导率增大，样品厚度也要相应变大。这种对样品厚度的要求是很多高导热材料无法满足的，如4H、6H-SiC圆晶厚度最大只有0.5mm。如若测量薄样品，则需将闪光脉宽缩短至几微秒量级，这往往是很多测试所忽略的造成测试误差的主要因素之一。（2）为了增加样品前表面吸收闪光加热的能量和提高样品背面测温的准确性，特别是对于一些透明或半透明样品，闪光法测试中通常会在样品的前后表面喷涂上石墨黑胶以提高发射率，同时阻挡加热光透过样品和避免背温测量出现误差。黑胶厚度一般约为0.05mm，但在具体使用过程中，喷涂黑胶要掌握一个原则，即相对于被测样品热阻，前后两面的黑胶热阻可以忽略不计，否则会形成三层样品结构，黑胶层会给测量结果带来严重影响，这在高导热且很薄的碳化硅和金刚石等材料测试中会非常明显，这也是闪光法无法应用在4H、6H-SiC圆晶热导率测试中的主要原因。（3）闪光法通常只能测量样品的热扩散率，还需进行比热容和密度的单独测量后，通过计算最终获得热导率。这些比热容和密度的测试，会给热导率结果带来相应的误差累积。[size=18px][color=#990000]三、热反射法[/color][/size]热反射法（Thermo-Reflectance）基于前述的闪光法，但采用了超高速周期脉冲激光，脉冲宽度为纳秒（ns）量级，甚至可达到皮秒（ps）量级，非常适合测量厚度低至10nm的薄膜样品（带或不带基片），可测量金属、陶瓷、聚合物薄膜的热物性参数，如热扩散率、吸热率和界面热阻。如图1所示，热反射法可应用于不同测量模式，以适应于不同的样品和基片情况（透明/不透明）。[align=center][color=#990000][img=超高热导率测试,690,331]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/01/202201281923345488_7962_3384_3.jpg!w690x331.jpg[/img][/color][/align][align=center][color=#990000]图1 热反射法基本原理[/color][/align]在热反射法背面测量模式中，主激光源表面背面加热样品，检测激光从上表面测量样品的温度变化过程，从而测得样品的热扩散率。这种模式与传统闪光法一样，并且适用于透明基片上的薄膜样品测量。在热反射法前表面测量模式中，主激光源从前表面加热样品，检测激光同样从前表面测量样品的温度变化过程。这是一种经典的前表面闪光法，并且适用于不透明基片上的薄膜样品测量。从上述热反射法原理和能力可以看出，在理论上热反射法可以进行薄的高导热材料测试，但缺点同样非常明显，到目前为止还未在工业中得到真正的推广应用，还仅停留在学术研究层面。（1）热反射法同样需要在被测样品上增加吸热层，由此会形成三层结构的测试模型，并且要求已知吸热层甚至基材的热物性参数，测试模型的简化和计算会给测量带来严重的系统误差。（2）缺乏测量准确性的评估，目前还未看到采用参考材料对热反射法进行的任何评估报道，这严重制约了热反射法的推广应用。（3）由于需要高速激光用来加热和探测，热反射法测试设备非常昂贵。[size=18px][color=#990000]四、热波法和稳态法[/color][/size]对于高导热材料的热导率测试，典型如热导率为1800~2000W/mK的金刚石材料，已经开展了几十年的研究，业内普遍认同的测试方法是经典的稳态法，并得到了广泛应用[11,12]。对于高导热碳化硅圆晶，稳态法是比较合适的测试方法，测试不会受到高热导率和透明等因素的影响，样品尺寸也没有大小的限制，对于直接无损测量整个圆晶更具有突出优势。这里将主要介绍一种基于稳态法发展起来的新型测试方法——热波法，稳态法只是热波法中的一种特例。热波法基本原理是样品在非稳态条件下（温度单调缓慢上升或下降），在样品热端施加周期方波热脉冲，如图2所示，通过测量加热功率、热脉冲宽度和温度响应来确定传热方向热导率。[align=center][color=#990000][img=超高热导率测试,690,326]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/01/202201281923516336_8129_3384_3.jpg!w690x326.jpg[/img][/color][/align][align=center][color=#990000]图2 热波法基本原理[/color][/align]热波法作为一种瞬态法，其主要特点如下：（1）测量装置结构与稳态法基本相同，但在测试过程中无需像稳态法那样达到热平衡状态，可在样品整体温度处于单调上升（或下降）的非平衡状态下进行测量，测试周期短。（2）当热脉冲宽度为无限长时间时，tanh函数将趋于等于1，则样品将达到稳态条件，测试将转变为稳态法，上述测量公式将变为稳态法公式。即稳态法是脉冲法的一种极限情况，由此在一套测量装置中可分别进行热波法和稳态法测量，其中的稳态法可用来考核和校准脉冲法。（3）在热波法测量装置中，可通过延长热波周期时间（或加热功率恒定），使热波法转换为稳态法进行测量，由此可覆盖宽泛的热导率测量，即采用热波法测量高热导率（10~3000W/mK），采用稳态法测量低热导率（0.1~10W/mK）。（4）大多数测试高导热小样品材料的瞬态法，如闪光法、温度波法（ISO 22007-3）和Angstroem法等，这些方法只能测量热扩散率，无法直接获得热导率。这里的热波法相当于一种量热测试技术的变形，可直接测量热导率，而且非常适合高导热小样品（薄带和细条等）和高导热块体材料测量，也可通过增加测温点和加热方式，来测量热扩散率和比热容。（5）热波法热导率测试，可以采用现有的各种热导率参考材料进行测量精度的考核和检验，有助于对测量结果有比较明确的了解。（6）使用热波法测试中需要特别注意的是热导率测试方向性，热波法测试方法的核心之一是在被测样品的传热方向上形成可准确测量的温差，所以热波法适合20mm以上长度的样品测试，非常适合薄膜材料面内方向上的热导率测量，但对于薄膜材料厚度方向上的热导率测试，热波法则无能为力。[size=18px][color=#990000]五、结论[/color][/size]通过上述对闪光法、热反射法和热波法的介绍和分析，可以得出以下结论：（1）对于3C、4H和6H碳化硅的高热导率测试，比较合适的方法是热波法或稳态法，但在具体使用中需要特别注意热导率的方向性。（2）对于透明透红外的高热导率薄样品，不建议采用常规的闪光法测试，表面黑胶或其他金属涂层会给测量结果带来严重影响。（3）热反射法作为一种高速超短脉冲闪光法，非常适合测试研究薄膜材料厚度方向上的热扩散率，但因增加了额外的表面吸热金属层，会造成测试模型非常复杂，测量准确性难以保证，但用来测试研究热导率的量级大小和各向异性特征则十分有效。总之，上述方法的选择只是针对碳化硅圆晶高热导率测试的建议，还可以采用其他方法，如经典的瞬态平面热源法（HOT DISK法），但这种方法目前只适合室温附近温度不高范围内的面内方向热导率测试，而且被测样品尺寸要求较大，一般需要100mm×100mm以上的大面积。对于瞬态平面热源法，实验验证过的能力是完全可以测试紫铜热导率（25℃时测试结果为393W/mK，样品尺寸为150mm×150mm×1.5mm）。[size=18px][color=#990000]六、参考文献[/color][/size][1] TOSHIBA, Comparison of SiC MOSFET and Si IGBT, SiC MOSFET Application Note, 2020.[2] Slack, G. A., Thermal Conductivity of Pure and Impure Silicon, Silicon Carbide, and Diamond. J. Appl. Phys. 1964, 35, 3460-3466.[3] Brethauer, J., Mapping the Thermal Conductivity of Sic/Sic Composites, Phd Thesis University of Illinois at Urbana-Champaign, 2017.[4] Wei, R. Song, S. Yang, K. Cui, Y. Peng, Y. Chen, X. Hu, X. Xu, X., Thermal Conductivity of 4h-Sic Single Crystals. J. Appl. Phys. 2013, 113, 053503.[5] Morelli, D. T. Heremans, J. P. Beetz, C. P. Yoo, W. S. Matsunami, H., Phonon‐Electron Scattering in Single Crystal Silicon Carbide. Appl. Phys. Lett. 1993, 63, 3143-3145.[6] Protik, N. H. Katre, A. Lindsay, L. Carrete, J. u. Mingo, N. Broido, D., Phonon Thermal Transport in 2h, 4h, and 6h Silicon Carbide from First Principles. Materials Today Physics 2017, 1, 31-38.[7] Morelli, D. T. Heremans, J. P. Beetz, C. P. Yoo, W. S. Harris, G. Taylor, C., Carrier Concentration Dependence of the Thermal Conductivity of Silicon Carbide. Institute of Physics Conference Series 1994, 137, 313-316.[8] Nilsson, O. Mehling, H. Horn, R. Fricke, J. Hofmann, R. M¨uller, S. G. Eckstein, R. Hofmann, D., Determination of the Thermal Diffusivity and Conductivity of Monocrystalline Silicon Carbide (300-2300K). High Temperatures . High Pressures 1997, 29, 73-79.[9] Burgemeister, E. A. von Muench, W. Pettenpaul, E., Thermal Conductivity and Electrical Properties of 6hsilicon Carbide. J. Appl. Phys. 1979, 50, 5790-5794.[10] Qian X, Jiang P, Yang R. Anisotropic thermal conductivity of 4H and 6H silicon carbide measured using time-domain thermoreflectance[J]. Materials Today Physics, 2017, 3: 70-75.[11] Inyushkin A V, Taldenkov A N, Chernodubov D A, et al. High thermal conductivity of bulk GaN single crystal: An accurate experimental determination[J]. Jetp Letters, 2020, 112(2): 106-111.[12] Inyushkin A V, Taldenkov A N, Ralchenko V G, et al. Isotope Effect in Thermal Conductivity of Polycrystalline CVD-Diamond: Experiment and Theory[J]. Crystals, 2021, 11(4): 322.[align=center]~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~[/align][align=center][/align][align=center][/align]