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使用MTPS測試熱界面材料（TIMs）的五大優勢
作者：John Clifford，技術專家
測量熱界面材料（Thermal Interface Materials, TIMs）的熱傳導率
熱傳導率是熱界面材料（TIMs）的一項關鍵性能指標，用以量化傳導熱能的能力。TIM測試儀（ASTM D5470）是常用來測量TIM熱阻的方法，並可據此計算出表觀熱導率（apparent thermal conductivity）。然而，僅依賴TIM測試儀可能無法捕捉樣品的某些特性，導致對整體性能的誤解，甚至在應用於熱管理系統時增加潛在安全風險。以下是使用改良瞬態平面熱源法（MTPS）測試TIMs的五大額外優勢：1. 沉降/沉積現象
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圖一、此樣品有明顯的顆粒沉降。根據使用的方法，熱導率測量可用於檢測沉降情況，並顯示材料的性能
大多數TIMs會添加奈米顆粒以提升熱導率，但填料的分佈情況對TIMs性能有重大影響。例如，顆粒沉降會導致樣品底部的熱導率較高，而頂部則較低。TIM測試儀無法檢測樣品內部的側向變化，只能提供整體的平均熱導率數據。此類不準確的數據可能導致TIMs在應用中表現不佳，甚至增加系統失效的風險。
2. 各向異性
圖二、許多材料具有各向異性特性，即材料的物理性質會因測量方向不同而有所變化
在某些需要特定方向散熱的應用中，各向異性材料能有效提升散熱效率。然而，傳統的TIM測試儀無法區分材料的面內（in-plane）與垂直（through-plane）熱傳特性，可能會導致錯誤的熱性能評估。相比之下，瞬態測試技術（Transient Method）如：瞬態平面熱源法（TPS）或改良瞬態平面熱源法（MTPS）因能準確測試各向異性材料的不同方向熱傳特性，能夠提供更準確的材料特性分析，已廣泛應用於相關測試。
3. 模擬實際應用條件
圖三、在特定的條件下測量熱傳導率是至關重要的。圖中顯示的是C-Therm的高壓反應槽，可在高達 2000 psi 的壓力下測量樣品。壓縮、溫度和濕度也是其他重要的考量因素
測量熱傳導率時，需考慮實際應用條件，如壓力、溫度與濕度。TIM測試儀（ASTM D5470標準）對測試環境有特定規範，但這些條件往往無法完全反映TIM在實際應用中的情境。例如，在測試中施加的壓力與溫度（例如樣品的壓縮狀態）與實際應用場景可能存在差異，導致測試數據與實際表現不符，進而影響產品性能。MTPS技術允許在更接近實際環境的條件下測量材料的熱導率，提升數據的準確性。
4. 精準度
圖四、遵照ASTM D5470-17標準的TIM測試儀，此ASTM標準對於精準度並無明確規範，這使得數據的再現性變得困難
測量材料特性時，精準度與再現性至關重要。然而，ASTM D5470標準未對測試偏差與精準度提出具體要求，導致不同實驗室測得的相同材料數據可能出現高達±18%的誤差。這樣的誤差範圍對許多高端產業應用而言，可能無法接受。相對而言，MTPS法能提供更穩定且可重複的測試數據，更適用於產品認證與技術規範需求。
5. 測試速度
圖五、熱傳導率測量的速度可能差異甚大。有些方法可能需要數小時才能完成一次測試，而某些方法，如上圖所示的改良瞬態平面熱源法（MTPS），則僅需幾秒鐘即可完成
TIM 測試儀，像所有穩態方法一樣，需要系統溫度達到穩態平衡後才能獲得有效數據，這可能需要一小時或更長時間，具體取決於材料的特性，嚴重限制了數據生成的速度，對於需在短時間內處理大量樣品或數據的團隊來說，可能成為一大瓶頸。相比之下，瞬態測量法（Transient Method）如MTPS技術，可在數秒至數分鐘內完成測試，大幅提升測試效率。
總結
儘管TIM測試儀能有效測量熱阻，並計算出表觀熱傳導率，但僅依賴該測試方法可能無法全面掌握材料的真實性能。改良瞬態平面熱源法（MTPS）不僅測試速度更快，還能在更貼近實際應用條件下提供準確、具代表性的數據，有助於深入了解材料在實際環境中的表現。