界面接触热阻的研究方法与测量

界面接触热阻的研究方法与测量

接触热阻的研究两个物体接触界面产生的热阻力，称为热阻力。对接触热阻的研究最早起源于1941年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。而接触热阻的倒数则称为接触热导(thermalcontactconductance,TCC)。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。文献对有关接触热阻的研究工作进行了很好的总结和归纳。对接触热阻的研究,不仅要研究其表观的宏观特性,更要从微观、多维角度考虑传热过程中的微尺度效应(sizeeffects)和电子、声子散射机理。近年来,随着微/纳米尺度传热学、介观模拟方法、微米纳米测量技术的发展,出现了纳米结构、微尺度传热的新理论,且纳米结构材料的特征长度已接近于热载子平均自由程(meanfreepath,MFP),传统的傅里叶定律已经不再适用。对接触热阻的研究也已经深入到介观、纳米尺度水平,如声失配(acousticmismatchmodel,AMM)理论及SMAMM(scattering-mediatedacousticmismatchmodel)模型、散射失配理论(diffusemismatchmodel,DMM)[13,14,15,16,17,18]、PSPD(partiallyspecularandpartiallydiffusemodel)模型、热波(thermalwavecontrast)CV模型等,也出现了像基于格子Boltzmann方法的接触热阻的数值模拟方法,而晶格动力学方法和分子动力学方法(moleculardynamics,MD)等数值方法也将会进一步揭示电子、声子散射机理,并为对接触热阻更深层次的传热机理研究打下理论基础。本文综合评述了对接触热阻传热机理的研究方法、测量方法以及减小接触热阻的主要措施,介绍了近年来国内外对接触热阻的最新研究成果和进展,对已报道的研究工作进行了总结,并指出了今后的研究方向。1接触热阻的开口理1.1界面接触热阻的微尺度模拟对于接触热阻产生的机理,传统的观点认为由于两接触表面的实际接触面积只占名义接触面积的0.01%~0.1%,即使两界面接触压力达到10MPa,实际接触面积也仅占名义接触面积的1%~2%,这种接触状况引起热流的收缩,从而产生接触热阻。在宏观上,如图1所示,大多研究者通常忽略界面间隙流体和表面辐射的影响,将真空下表面形貌不一致的界面接触热阻表达为:RC=RL+RS,其中RL为宏观面积上的热扩展、热收缩热阻;RS为微观的无数个接触凸峰的接触热阻,称为有效微接触热阻。同样,假定两个极限条件:(1)一致粗糙极限,表示接触界面形貌完全一致,并且接触面的曲率半径无限大以致RL小到可以忽略;(2)弹性收缩极限,表示接触面的曲率半径无限小,并且非常光滑以致RS可以忽略。然而真实界面接触情况是在上述两极限之间,如图2所示,于是很多学者开始了对表面接触形貌、粗糙度的建模和预测。由以上分析可知,接触热阻从宏观上看属于几何、热、机械(力)等多个学科,影响因素包括材料的热物性、材料的弹塑性、热流方向、表面硬度、表面形状、温度、接触压力和间隙介质等,而微观上又受表面粗糙度、微观形貌、表面凸峰的弹塑性变形及截断等因素制约,因而研究界面接触热阻所涉及的范围相当广泛,其产生的机理也相当复杂。即便是相同的两个试件的接触热阻,如采用不同的测试方法也可能会产生不同的结果。在电子器件冷却应用中,需要降低接触热阻;在纳米器件设计中需要很好地预测和利用界面接触热阻;而在一些低温超导绝缘应用场合,则希望通过提高界面接触热阻来提高绝热效果等。近几十年来,很多学者研究了温度、接触压力、表面接触形貌、表面粗糙度、表面硬度、不同的界面材料、表面机械处理方式、表面弹性变形、表面塑性变形以及弹塑性变形等诸多的因素对接触热阻的影响,并根据实验数据和数学分析提出了众多的从一维到二维的描述表面形貌的模型和假设,用以计算、预测界面接触热阻和研究其作用机理。如Yovanovich等提出的接触表面凹凸体基于平均高度高斯分布和基于表观接触面积随机分布的CMY塑性接触热阻模型;Leung等从统计热力学出发,把表面凹凸体与统计热力学中的粒子进行类比研究接触热阻;徐烈等用分形理论对接触表面形貌和对表面形貌与界面热阻之间关系进行的研究;把尺寸效应以及材料的热物性引起的粗糙度变化考虑进去的接触热阻多尺度模型;对螺栓连接的接触界面热阻进行的研究;对接触热阻由单点接触到总的Monte-Carlo模拟;对接触热阻的微尺度模拟从宏观到微观的多尺度有限元迭代分析;以及基于参数辨识原理,把接触热阻的求解看成是一个导热反问题进行的求解等。但是迄今为止,还没有令人满意的理论模型可以预测各种状况的接触热阻,也没有实验研究可求得可靠的经验公式。1.2辐射传热方程由于在微观热传导现象分析上,传统的基于宏观的傅里叶定律已经不再适用,因此近十多年来很多学者提出了不同的微/纳尺度传热学理论(micro-scaleheattransfertheory),而在自然界中的热载子主要有电子、声子和光子,其性质也各有不同。这些微/纳尺度传热学理论可大致分为时间和空间上的微/纳尺度,如在空间上,有声子-电子耦合模型(phonon-electroninteractionmodel),由Kaganov等、Anisimov等所提出,后来Qiu等采用量子力学与统计力学的方法对其进行了证明;有声子散射模型(phononscatteringmodel),最早由Guyer等在对Boltzmann方程线性求解时得到,强调传热是由热载子的相互碰撞与散射产生,之后Joseph等对该模型方程进行了简化,随后对界面接触热阻的研究也出现了声子的声失配(AMM)和散射失配理论(DMM)等,Hopkins等则进行了声子的弹性散射和非弹性散射的进一步深入研究;声子辐射传导方程(phononradiativetransferequation,PRTE)由Majumdar提出,并证明了在材料特征尺寸远大于声子平均自由程时有和傅里叶定律相似的结果;Prasher比较了PRTE方程和辐射传热方程之间的差异,认为若把晶格缺陷当作散射源,声子可类比光子即可定义一等效的散射相函数,从而推导出更具一般性的声子辐射传热方程式(generalizedequationofphononradiativetransport,GEPRT)。在强调时间的微尺度上,主要有热波动CV模型与双相滞后(dual-phase-lag,DPL)模型,热波动模型是由Cattaneo与Vernotte提出因而称之为CV模型,他们考虑了时间的弛豫效应,认为物体内的温度梯度、热流量与时间相关。Tzou等进而认为物体内的温度梯度、热流量皆有弛豫效应,从而改进了CV模型,提出了双相滞后DPL模型。而在同时强调时间与空间上的微尺度效应的理论模型大多是在Boltzmann方程的基础上对其进行修正,主要有弹道散射模型(ballistic-diffusivemodel,BDM),它主要分两部分,由边界条件决定的弹道输运和散射且受激后的热载子的输运,BDM可分析在特征尺寸与平均自由程相当时和特征时间与热载子的弛豫时间相当时的传热情况。对界面接触热阻的微观研究理论主要有界面热阻边界层模型(interfaciallayermodel,ILM)、声失配理论AMM及散射中介声失配模型SMAMM、散射失配理论DMM及发展出来的点频散射失配理论(jointfrequencydiffusemismatchmodel,JFDMM)、部分镜面反射和部分漫散射复合模型PSPD及其类似以及热波模型等。界面热阻边界层模型(ILM)认为压力连接的两不同材料接触界面处,会导致两接触材料的原子相互扩散,在界面两侧形成很薄的一层界面层,该界面层是由一个接触界面和在界面层两侧两种材料各有的一微纳米厚度的薄层(亚表面层)构成。王惠龄等根据电子显微镜(SEM)实验观察把其解释为:相互接触的两固体间,接触区域存在一个微/纳米级厚度的三维界面层,三维界面层的含义是热流传输以及热载子在界面层内的三维运动,界面上热载子发生界面声辐射,而在亚表面层内主要是以本侧材料构成,但也包含来自界面另一侧的原子扩散、界面的微凸起、错位、氧化等微结构,此微结构造成了热载子的杂子散射、晶格缺陷散射、错位散射等散射,界面上能量传递是辐射传递,因而亚表面层内热载子的能量传输既有辐射也有散射传输,界面层内的热载子呈现为波粒二相性,正是由于热载子在界面处的反射、散射和亚表面层内因原子掺杂、界面在压力接触下晶格错位变形导致的热载子的散射,从而导致接触界面层内的热阻。但有研究指出很难把该热阻界面层材料的厚度和传过的热流量与接触面积、接触界面负载压力等因素直接相关起来。Little提出的AMM模型的主要假设是声子在界面发生弹性纯镜面反射和透射,并忽略漫散射效应,成功地推导出了在理想接触界面情况下的接触热导系数。在极低温(T<7K)下,声子波长远大于界面的粗糙度尺寸和界面缺陷尺寸,此时接触界面可近似为一镜面,此假设是合理的;但在更高的温区,声子波长随温度的升高而显著降低,且相比大多情况下复杂的表面形貌下这种理想接触界面的情况也是极少出现的,此时该假设则变得不尽合理。在较高的温度下有研究者认为声子在界面处应该是非弹性散射,随后Chen提出了非弹性声失配模型(inelasticAMM)。为了能描述高温时的界面热阻情况,Prasher等提出了散射中介声失配模型(SMAMM),在比较声子辐射热传导方程(EPRT)和辐射传热方程的差异后对AMM模型进行改进,其假设完全的镜面反射,并认为界面接触热阻除了考虑吸收项还应考虑散射效应,虽然SMAMM也考虑了由于粗糙度造成的声子漫散射,但声子的镜面反射假设基础显然在界面粗糙度较大时并不适用。而Swartz等提出的DMM模型则认为声子在界面发生的是纯弹性漫散射而非镜面反射,其假设是基于声子漫散射碰撞发生前后都是同频率的且接触界面材料也都是在弹性、各向同性的基础上,此时声子波长与界面粗糙度特征长度具有相同的数量级,从而声子在界面处发生漫散射,该假设似乎更符合实际情况,该模型也很好地预测了T>15K的接触热导。但是,当在更高温度下如在较高工作温度下的高频微电子器件,AMM模型和DMM模型都不能很好地预测实际情况的界面接触热导。有学者采用声子辐射极限(phononradiationlimit,PRL)假设所有声子是在以截止频率通过弹性碰撞来传热的情况下,估计了弹性漫散射的最大界面接触热导,发现界面接触热导与低Debye温度材料的Debye温度接近,且当界面温度超过软材料的Debye温度时界面接触热导近似于一常数,随后也出现了越来越多的非弹性漫散射实验证据,从而DMM模型的弹性漫散射的假设基础不得不被改变。Hopkins等则对DMM模型进行了改进并提出了进一步的非弹性的理论模型JFDMM,随后对DMM模型进行了更为深入的研究。当在波长与界面粗糙度之间既不满足镜面反射条件也不满足漫散射的条件时,饶荣水提出的PSPD模型是假设在界面处发生的是部分镜面反射和部分漫散射,通过取一参数p∈为通过界面的净热流中的镜面反射所占的份额。当p=0时为漫散射;当p=1时为镜面反射,并指出当p在0.865~0.962之间取值时,预测值与实测值较为接近。他也指出如何充分考虑部分镜面反射和部分漫散射的所占份额以及非弹性散射的影响,并综合分析ILM的影响,尚有待更为深入的研究。由于接触界面材料原子的相互扩散造成了界面接触热阻界面层(ILM)的厚度的增加,也显著地提高了界面接触热导(TCC)。但无论是AMM模型还是DMM模型都没有把ILM考虑进去,因此也造成了DMM模型理论的不准确。为此,Beechem等提出了虚拟晶格散射失配理论(virtualcrystaldiffusemismatchmodel,VCDMM),其在DMM模型的基础上考虑了由于界面层区域原子扩散造成的对界面接触热导的影响,并把界面层区域当作第三种材料,其厚度假定等于表面粗糙度凸峰的高度,且把3种材料都假定为Debye固体,并开始考虑电子-声子耦合界面热传输如Cr/Si界面材料。也有学者开始把声子的DMM模型推广到电子上来得到了较好的结果。对于非金属材料的热载子主要是声子,所以声子理论可用于解释非金属材料的界面接触热阻问题,而对金属材料主要是电子导热和晶格振动,且在极低温(T<300mK)情况下材料则是以类似光子辐射的方式传热,因此AMM模型及SMAMM模型、DMM模型、PSPD模型和VC-DMM模型在材料和温度区间都有其局限性。近年来,分子动力学法在材料的热导率的应用研究比较多,而在界面接触热阻的应用却非常少。这是因为分子动力学仿真的基础是材料的原子势函数,而要找到材料的原子势函数是相当困难的,这也可能是阻碍分子动力学在界面接触热阻上应用研究的主要原因。界面接触热阻涉及微/纳米尺度问题,如果对象特征长度Lue04cMFP,而MFPue04cλ(热载子波长),则传热处于宏观区域,可采用诸如分形理论、表面接触峰的Monte-Carlo模拟等理论进行分析;若粒子对象特征尺寸L和热载子波长λ相比较小时,则所有的粒子包括波色子(bosons)和费米子(fermions)都将和电子一样呈现弹道一维传热性质(ballisticone-dimensionalconductor);若L≈MFP,而MFP、L>>λ,则传热处于第一微尺度区域,需要用Boltzmann输运方程进行建模分析,此时界面热导系数呈现尺寸效应;若L≈λ,则传热处于第二微尺度区域,需采用诸如各种声失配(AMM)理论、散射失配理论(DMM)、部分镜面反射和部分漫反射复合模型(PSPD)和热波动(CV)及量子论的观点和理论进行描述,且热导率、界面热导系数、热容都将体现尺寸效应。如果把由于宏观形貌、粗糙度等因素造成的间隙接触到微观尺度上由于接触面紧密程度不均匀即接触面表面情况造成的分子渗透、晶格错位等,采用合适的理论连续系统的分析这些众多影响因素显然是相当复杂的,而采用从微观散射、辐射、热波动理论分析到宏观的点、隙、表面凸峰的弹塑性变形及更宏观的热流收缩等多尺度分析可能对接触界面热阻的传热机理会有更为系统且较接近实际的预测。由上所述,尽管许多物理现象和工程问题是在宏观的尺度上体现出来的,但其根源仍然始于微观分子尺度,若既要从宏观上定量分析又要在微观上模拟分析界面接触热阻的传热机理,必须从最基本的粒子输运方程入手,而采用在宏观上是离散方法,在微观上是连续方法的格子Boltzmann介观模拟方法,对界面接触热阻问题进行模拟分析并综合考虑声子、电子的散射、辐射等机理可能会是一种很好的研究手段,格子Boltzmann介观模拟方法分为一维动态模拟、二维动态模拟和三维模拟,一般是假定由原子质量不同的格子在简谐力作用下,并假定一作用常数,让格波在界面入射、反射和投射,Han等成功地把部分反弹格式应用到双分布热格子Boltzmann方法,对界面接触热阻进行了模拟。2接触热阻的测量长期以来,对接触热阻的研究始于对材料界面接触热阻的测量方法。图3为常用铝合金材料的接触热导与界面接触压力的关系曲线,如Yovanovich等学者所建立的各种理论研究模型和经验公式都是通过大量的实验研究来建立和验证的。而接触热阻是一个受材料物性、机械特性、表面形貌、接触压力、温度、间隙材料等众多因素影响的参数,所以对接触热阻的实验测量方法提出了严格的要求。根据实验热流是否稳定,一般把接触热阻测量方法分为稳态法和瞬态法。2.1稳态温度场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。稳态接触热阻测试方法多是和美国国家标准ASTMD5470-06的测试标准设备相类似,如图4所示。为了保证热流都能从试件流过,而不是从其他地方散失,在实验设备的周围加设绝热材料和抽真空处理;同时在设备上方还设置了可控热源,在实验当中,常设定加热源和可控热源温度相等来保证设备测量的精确性。徐烈等为了测得低温下固体接触热阻的情况,改进了此双热流计实验方法,把整个实验装置放置于液氮中,为避免上下试件间过大的温差造成的测量误差,在下热流计下方布置了可调加热器,并在整个设备周围布置了防辐射腔,在防辐射腔上再布置加热器,其目的是为了对防辐射腔进行加热使其温度与试件温度保持一致,从而减小辐射换热温差,加载装置则采用波纹管来保证密封。这种稳态温度场测量方法有几个显著的缺陷,首先,由于真空度和稳定状态的获取都需要很长的时间,所以每次测量时间长达8h;其次,热电偶需嵌入到试件里面破坏了试件本身的温度场造成了测量的不准确;另外,在热电偶嵌入的试件邻近区域对测量的准确性也会产生不利影响;且该方法对样品的几何特征有严格要求,为准确得到样品轴向温度梯度需要布置多个测点,而这对小到毫米厚度的试件是不太现实的。事实上,由温度场求解接触热阻属于导热问题的反问题求解,由于材料的导热率与温度相关,试件与周围环境的散热损失是不可避免的,试件的一维温度分布不可能是一条直线,这样外推就存在一定的困难。大多研究人员则忽略了热传输在接触界面处的机制和微结构,仅采用傅里叶热传导定律直接外推接触界面处的温度差,或采用牛顿插值迭代求解,或采用最小二乘法,或采用参数辨识方法,或采用混合拉氏变换反算温度差和热流量等。由此,也造成了实验测量所得结果的不一致性。也有学者采用精度为0.1℃的红外成像系统代替热电偶对来对接触界面进行二维界面温度记录,然后再对该纳米结构金属薄膜材料的接触热阻进行计算,并分析实验误差约为23%,此方法虽然避免了采用热电偶接触式测量的诸多弊病,但如何进一步提高其精度有待更进一步的研究。2.2热成像法热物理法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[101,102,103,104]等,其中激光光热测量法又包含调制光热法和热扫描法,调制光热法又有光热幅值法、光热相位法和脉冲法之分。还有采用电热源的方式进行瞬态研究,也有学者指出了采用超声波测量的可能。如图5所示,激光光热测量方法是利用材料的光学反射率随其温度变化而变化的关系来获得材料的热物性,该方法由一束调制激光加热固体样品1的左表面,吸收了调制激光辐射能量的样品1产生热波,由于接触界面层的存在和两接触界面的特性存在差异,导致热波在通过接触界面层时波形发生变化,引起样品2右侧表面反射率的变化,此由探测激光器来获取,再通过光电二极管检测探测激光反射光线的强度并向锁相放大器输入电信号,由锁相放大器检测调制光与反射光间的相位差和振幅信号。光热相位法就是把该相位差与调制频率间存在一定的关系即探测调制激光在两界面的相位滞后,从而得到接触界面的热阻。因为光热相位法只要得到光热产生的热波相位信号,就可获得接触界面热阻,因而也被很多学者所采用[99,112,113,114,115,116],赵焱对接触热阻的研究也采用这种方法,对低温30~300K之间的接触界面热阻进行了很好的测量;而光热幅值法则是利用热波幅值与界面接触热阻的关系来得到界面接触热阻的,由于光热幅值法需要知道辐射光的强度和材料对光的吸收率等因素,而这些不确定因素是很难通过实验精确得到,从而通过其获得的界面接触热阻误差也相对较大。激光光热测量方法作为一种热物性测量方法虽已用在很多领域,尤其在材料的热扩散系数测量、低温界面热阻的测量和电子器件的薄片材料等领域中使用相当广泛,具有非接触、响应快、分辨率高、测量周期短等优点,但其理论推导却相当复杂,测量精确度也不尽如意。热成像法的整个测量系统类似于稳态测量方法,只不过温度数据采集是通过红外高速摄像系统对接触的两样品界面进行高速红外二维温度记录,再通过一维反问题求解拟合得到热流量,从而计算得到接触界面热传导系数。该方法忽略了真实温度与测量温度的误差,并假定试件样品尺寸的毕渥数ue04d1,从而判定温度呈一维分布,其反问题求解没有考虑试件的辐射和自然对流热损失,测量的精度要依赖于接触表面的情况。“flash”闪光法则是通过对两接触薄壁试件的一侧表面施加一短激光脉冲热波,在另一侧记录温度响应,由温度响应曲线和材料的热物理特性列出简化的偏微分方程,从而可把界面接触热阻作为一参数求解得到。该方法起初是为了测量均匀材料的热扩散系数的,为Laurent所提出,后来发展出了一系列的理论计算方法,分为两层模型(two-layedmodel,2LM)和三层模型(threelayedmodel,3LM)。因为涉及材料的热物理特性,且材料的热扩散率、比热容以及每层接触材料的密度都要考虑进去,从而也使得求解过程相当复杂。近来,有学者采用激光闪光法测量界面材料的性能其不确定性高达25%,且其也不适于测量厚度不一致的试件的接触热阻。激光光声测量方法(photoacousticcelltechnique)是利用材料的热物性与热扩散率的关系来获得两接触材料表面的温度情况,有研究表明当热阻在0~1cm2·K·W-1变化时在两材料表面检测到的温度信号相位会有明显的改变,该方法对试件的厚度和热扩散距离做了两个近似:把热扩散距离远大于样品厚度近似为热薄;反之称为热厚。实验测量时由一束调制激光加热试件1的上表面,吸收了调制激光辐射能量的试件1产生热波,由于接触界面层的存在和两接触界面的特性存在差异以及材料的热物性影响,引起试件2下表面温度的变化,该温度变化由驻极麦克风检测得到,麦克风的输出电压和温度的关系可根据Rosencwaig-Gersho原理得到,分析输出信号的相位与调制频率的关系即可得到界面热阻。该方法的缺陷是必须知道材料的热物性如吸收率、热扩散系数以及麦克风的响应时间等,且光声信号产生的热弹性振动也会影响其测量精度。文献对两接触试件都近似为热薄且厚度为100μm的试件材料,用调至频率低于1100Hz、波长514nm的氩离子激光进行了实验,结果与稳态测量方法和激光光热测量法测得的结果较为接近。2.3薄膜热性能检测界面接触热阻在微米、纳米尺度上理论的进展,也得益于各种微米尺度的测量方法。随着诸如AES、原子力显微镜(atomicforcemicroscope,AFM)等微/纳米测量技术的发展,接触热阻在微/纳米尺度的测量方法也有了长足的进步,主要有TTR(transientthermoreflectance)技术和3ω法,文献对界面接触热导的微米尺度测量方法进行了较为全面的综述。文献对1989年以前的几组界面接触热导的微米尺度测量方法进行了很好的总结和归纳,其中TTR所测的材料范围更广泛,TTR法使用泵浦激光脉冲在金属薄膜材料表面聚焦成一点进行加热,依靠金属电子对入射声子的吸收从而在电子系统里产生一个温升,由于温度的改变造成薄膜材料反射率的呈比例变化,薄膜通过热传导至下层基体结构的发射率变化被另一聚焦在薄膜加热中心的时间延迟探测光脉冲器所检测到,而极短脉冲激光加热时间一般在10-12~10-15s之间,根据Qiu等的研究,单层薄膜的外表面由于照射温度过高可能会造成损坏,利用铬的电子-声子耦合因子远大于金的特性因而可吸收大部分的激光辐射能,从而开发出金与铬的双层薄膜来起到保护的作用。具体可参考文献等。3ω法主要是应用于薄膜材料热导率的测量,后来被应用于薄膜材料界面热阻的测量。在微/纳米尺度测量上大多是结合原子力显微镜,并把原子力显微镜的顶尖改用Wollaston型的电阻热探头,该探头上带有激发频率为ω的尖角PtRh线桥,正弦电流流过薄膜时产生频率为2ω的热量(Jouleeffect),由于电阻热探头的电阻值随温度变化而变化,在线桥两端用锁相放大器将3ω电压提取出来,忽略薄膜的热容并视其为简单的热阻,从而可以得到薄膜接触界面的温差和热流,进而分析得到薄膜的界面接触热导。而热扫描显微镜(scanningthermalmicroscope,SThM)和热膨胀扫描显微镜(scanningthermalexpansionmicroscope,SThEM)都可被用来进行温度的校准。3ω法可被用于测量100nm数量级薄膜的接触热导,由于其对辐射损失不敏感,测量时间短,适用温度范围宽,所以被广泛用于室温或更高温度下的测量。以上各种界面接触热阻的测量方法各有千秋,稳态法虽易于实现,但测量时间长且对样品尺寸有严格要求,各种瞬态法虽宜于快速测量且可测量小到纳米数量级的薄膜,但其测量过程易受各种因素影响,且公式推导相对复杂,测量精度也较难保证。3表面改性其他方法减小接触热阻除了从宏观上对接触面增加接触压力、减小表面粗糙度、增加表面平整度等措施外,还包括对接触表面加设界面材料(thermalinterfacematerials,TIM)、相变材料(phasechangematerials,PCM)、表面处理技术等方法。3.1相变材料的选择由于接触表面的粗糙度和不平整造成实际接触面积占名义接触面积的份额很小和气隙的存在,界面材料如导热膏、导热凝胶和导热垫被广泛应用于电子散热领域用于减小接触热阻。界面材料多采用加入高热导率的颗粒形成聚合物界面材料,对于聚合物界面材料,Prasher对2006年以前的聚合物界面材料做了很好的总结和归纳。因为液态比固态有更好的适应性,可以更好地减小界面空气间隙,通常相变材料在室温(特殊的在50℃)下就可以融化,但渗漏问题会严重影响到周边电子器件的正常工作。相变材料通常也分为无机材料(石蜡等蜡状物)和有机材料(金属盐化物)。无机相变材料具有良好的化学惰性和热稳定性,但热导率低;而有机相变材料则具有较高的热导率,但反应系数、过冷度较高,且热稳定性差。相比于界面材料,无机相变材料因不容易导致离子污染而更受青睐,大多无机相变材料以石蜡或硅作为基体,近来也出现了多羟基化合物为新型基体的新型无机相变材料。为提高PCM的热导率,加入高热导率的颗粒、纤维和条状物如氮化铝、氮化硼或银等,这些添加物虽不能融化但可以明显改善整个PCM的相变性能如熔化热和熔化温度。而把多孔石墨作为基体材料的措施却反而增加了PCM的热不稳定性,因此,有学者提出了在其中采用加入抗氧化剂来提高PCM的热稳定性。3.2增加接触热导的涂层对接触表面进行金属涂层处理也是一种很好的减小接触界面热阻的措施,Yovanovich对此也做了很好的实验分析和总结,其研究发现随着金属涂层厚度的增加接触热导呈现明显的增长趋势,在银、铅、锡、铜4种金属涂层中,铅涂层表现最为突出,而铜由于其硬度的原因增长趋势并不明显。因此在硬度较高的金属基体上涂层较软的铂、铟、镍、石墨等材料也是一种较为合适的方法。对两接触面采用焊接处理因其具有较高的导热率也是一种很好的方法,Chiu等和Pritchard等很好地归纳了焊接处理的特点并指出诸如钎焊等焊接处理可以很好地减小界面接触热阻,但焊接处理也可能会因操作不当反而带来虚焊等更为严重的问题。3.3碳纳米管tim虽然以上技术被广泛应用,然而除了焊接和金属合金技术外,比较常用的导热膏、导热胶和相变材料等界面材料其有效热导率却相当低,更严重的是由于这些材料的老化、失效、渗漏等问题反而会严重影响电子器件的可靠性和寿命,随着碳纳米管(carbonnanotubes,CNTs)的发现,其独特的性能被广泛应用于各个领域,作为一种新型特殊材料,有研究表明碳纳米管热导率高达5000~8000W·m-1·K-1,因此也被广泛用于电子封装和各种工程应用上,文献对把碳纳米管阵列应用于热界面材料所需具备的条件做了很好的总结和归纳。但碳纳米管优异的超热导率主要是在垂直长度方向,所以把碳纳米管阵列应用于TIM,又可分为对现有的TIM的掺杂、单向的垂直排列的碳纳米管(verticallyalignedCNTs,VACNTs)TIM及其横向掺杂、双向的VACNTs的TIM等。近年来,有学者报道了把碳纳米管掺杂在TIM中对接触热导的提高程度(表1)。在单独作为界面材料方面,利用碳纳米管在垂直长度方向的超热导率做成垂直排列的碳纳米管TIM,很多学者对此也进行了深入的研究(表2)。如有研究者报道了M