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《高导热陶瓷基片导热系数和热扩散系数的测试瞬态平面热源法》标准化发展报告

StandardizationDevelopmentReportonTestMethodforThermalConductivityandThermalDiffusivityofHighThermalConductivityCeramicSubstratesbyTransientPlaneSourceMethod

摘要

随着半导体器件向大功率化、高频化和集成化方向发展，散热问题成为制约器件可靠性的关键因素。高导热陶瓷基片（如氮化硅Si?N?）因其优异的热导率、力学性能和热膨胀匹配性，成为第三代半导体（如SiC）功率器件的理想封装材料。然而，目前高导热氮化硅陶瓷基片的技术和市场被日本企业垄断，且对我国实施出口限制，严重威胁我国新能源产业链安全。

本报告围绕《高导热陶瓷基片导热系数和热扩散系数的测试瞬态平面热源法》标准的制定，系统分析了其立项背景、技术内容和行业意义。该标准填补了国内高导热陶瓷基片热性能测试方法的空白，解决了传统测试方法（如稳态法）存在的样品制备复杂、测试周期长、接触热阻影响大等问题。标准采用瞬态平面热源法（TPS），可快速、精确测量导热系数（1–500W/(m·K)）和热扩散系数（-50–300℃），适用于厚度0.1–7mm的基片材料，为行业提供了统一的测试规范。

标准的实施将推动国内高导热陶瓷基片的研发与产业化，助力新能源汽车、高铁、航空航天等领域的自主可控发展，具有显著的经济和社会效益。

关键词：高导热陶瓷基片；瞬态平面热源法；导热系数；热扩散系数；氮化硅；SiC功率器件；标准化；新能源产业

Keywords:Highthermalconductivityceramicsubstrate;TransientPlaneSourceMethod(TPS);Thermalconductivity;Thermaldiffusivity;Siliconnitride(Si?N?);SiCpowerdevice;Standardization;Newenergyindustry

正文

1.立项背景与意义

1.1行业需求

第三代半导体SiC功率器件因其高效节能特性，成为新能源汽车、智能电网等领域的核心部件。然而，SiC器件的高功率密度对封装材料的散热性能提出严苛要求。氮化硅陶瓷基片（热导率≥90W/(m·K)）因其与SiC匹配的热膨胀系数和优异的机械强度，成为最佳封装基板。目前全球高导热氮化硅基片市场被日本东芝材料、京瓷等企业垄断，且对我国实施技术封锁，严重制约我国新能源产业安全。

1.2技术瓶颈

传统热导率测试方法（如激光闪射法、稳态热流法）存在以下局限：

-样品厚度限制：需样品厚度≥0.5mm，而流延工艺制备的基片通常为0.1–0.3mm；

-接触热阻影响：稳态法因界面热阻导致测量误差；

-测试效率低：部分方法需数小时完成单次测试。

瞬态平面热源法（TPS）通过探头同时作为热源和温度传感器，可在10–60秒内完成测量，且对样品厚度要求低（≥0.1mm），显著提升测试效率和精度。

1.3标准化空白

国内缺乏高导热陶瓷基片热性能测试的统一标准，导致企业间测试数据无法对标，影响技术交流和产品认证。本标准的制定将规范行业测试方法，推动国产基片替代进口，支撑产业链自主可控。

2.标准范围与技术内容

2.1适用范围

-材料类型：均匀、各向同性的高导热陶瓷基片（如Si?N?、AlN）；

-参数范围：导热系数1–500W/(m·K)，热扩散系数测试温度-50–300℃；

-样品厚度：0.1–7mm。

2.2核心术语与测试原理

-瞬态平面热源法（TPS）：基于阶跃加热圆盘热源的瞬态温度响应，通过探头（如镍丝网格）同时实现加热与测温，拟合温升曲线计算导热系数（λ）和热扩散系数（α）。

-关键参数定义：

-探测深度：热脉冲在样品中的最大渗透距离，需满足样品尺寸≥2倍探测深度；

-隔热材料：热导率低于待测样品10倍以上的辅助材料（如聚酰亚胺薄膜）。

2.3测试装置与流程

-装置组成：TPS探头、恒流电源、数据采集系统、温控模块；

-测试步骤：

1.样品制备：表面平整度≤10μm；

2.探头安装：置于样品间或单侧贴合；

3.施加阶跃电流（通常50–500mA），记录温升曲线；

4.通过数学模型（如无限大介质模型）计算λ和α。

3.创新性与先进性

-方法创新：首次将TPS法应用于高导热陶瓷基片测试，解决薄片样品测量难题；

-技术指标：测试精度±3%，重复性±1%，优于国际标准ISO22007-2；

-应