熱傳導-TC 高功率時代的材料熱管理：比熱測試方法比較 – DSC vs Hot Disk

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從半導體先進封裝到高導熱複材，正確取得「比熱」是做好熱設計的第一步。
現在的電子與半導體產業有幾個共同現象：

晶片功率密度持續上升，熱量集中、溫升時間變短
先進封裝（2.5D/3D、CoWoS、Foveros）導致熱路徑變複雜
車用電子、5G 通訊、AI 伺服器都要求熱設計必須更貼近材料真實行為
散熱材料也越來越多樣：導熱墊片、TIM、樹脂填料、複合材料、甚至發泡或多孔材

在這種情境下，我們不只需要知道「導熱係數K值有多高」，還要知道材料在受熱瞬間能吸多少熱、不會一下子溫度就衝上去，這就是「比熱 (Specific Heat Capacity, Cp)」的重要性。
Cp直接影響熱容(Heat Capacity)、溫升速率與瞬態熱分析模型，也會進一步影響在做模流&熱模擬（如 Ansys、COMSOL）時的邊界條件設定。

接下來，我們將比較DSC和Hot Disk (Transient Plane Source, TPS) 兩種不同測試方法的差異，兩者都能透過量測得到「與熱有關的量」，但原理與適用場景存在一定的差異。
DSC比熱量測原理（Differential Scanning Calorimetry）
DSC本質上測量的是「在受控升溫或降溫程序下，樣品相對於參考物吸收或放出的熱流差。當儀器知道了溫度程序、測到了熱流量，再配合基線與參考物，就能反推出單位質量的比熱 Cp。以下為DSC量測比熱的標準流程：

儀器同時加熱「樣品坩堝」與「參考坩堝」，讓兩者走一樣的溫度程式（例如10 ℃/min升溫）。若樣品在某一溫度段需要多一點熱量才能被加熱到同樣溫度，儀器就會感應到「熱流差」。根據 ASTM E1269 或 ISO 11357-4 的做法，可用已知Cp的標準物（常見是藍寶石）做基準，再換算出樣品的Cp。

優勢：
1. 可以同時看到相變（熔融、結晶、玻璃轉移Tg）與比熱變化
2. 溫度控制精細，適合做小溫差下Cp的精準量測
3. 有完整的國際標準可依循，做品質管控、流程化方便
4. 對粉末、薄片、樹脂、膠體等多數材料都能量，需求樣品量不大

限制：
1. 通常樣品要做成「放得進坩堝的狀態」，對非常厚、非常粗糙或多孔的樣品不方便
2.當材料導熱很差、或樣品裝填不佳，容易出現溫度不均造成的誤差
3.欲得知實際機構件在短時間內的熱反應，DSC的升溫條件就跟實務有所落差

Hitachi NEXTA DSC600

▲圖一 Hitachi NEXTA DSC600

採用溫度調變差示掃描量熱法 (TMDSC) 測定材料比熱Cp

▲圖二採用溫度調變差示掃描量熱法 (TMDSC) 測定材料比熱Cp

Hot Disk / TPS量測原理（Transient Plane Source）
ㄧ般人所認知的Hot Disk是用來量測導熱係數k，但其瞬態平面熱源法也能同時求出熱擴散係數α與體積熱容ρCp，進而得到 Cp。這也是此機台廣泛使用於研發單位的主因之一。以下為Hot Disk量測比熱的標準流程：

將一個「同時是加熱源也是溫度感測器」的平面探頭夾在兩片樣品中間，或貼附在樣品表面。儀器給探頭一個受控的瞬態功率，探頭溫度會上升。探頭的溫升曲線會受到周圍材料帶走熱的能力影響，這就直接和材料的k、α、以及ρCp有關。用既定的TPS理論模型去擬合這條溫升曲線，就能求出熱導率、熱擴散率和體積熱容，再根據密度推算出Cp。亦或是直接使用Hot Disk中的Cp Module分別量測空坩鍋 & 放置待測樣品的坩鍋，透過軟體計算直接得知材料的Cp。

優勢：
1. 非破壞且樣品備制簡單：很多複材、堆疊結構不方便切塊做DSC，TPS法能直接量測
2. 可以接近實際厚度的材料，尤其是泡棉、複合填料、陶瓷塗層、封裝用材料
3. 測試時間短，適合需要多批次、快速比對材料的研發場景
4. 同一次量測就能拿到一整組熱物性（k、α、ρCp），對做熱模擬的工程師很實用

限制：
1. 算Cp會依賴密度與模型假設，對「高度非均質」或「高界面熱阻」的材料，要選擇合適的探頭尺寸和測試時間
2.針對精準相變熱或區域溫段的Cp變化，DSC會更合適
3.測試結果對樣品與探頭的貼合度、表面平整度稍敏感，現場操作流程須SOP化

▲圖三 Hot Disk TPS3500

▲圖四 Hot Cell® Sensors

使用 Hot Cell® Cp感測器記錄瞬態溫度的範例

▲圖五使用 Hot Cell® Cp感測器記錄瞬態溫度的範例

若以現今熱門產業議題掛勾，如：
➢ 先進封裝：堆疊愈多層，材料形態愈不符合DSC樣品量測標準，可量整體結構熱物性的TPS法就有價值
➢ 電動車 & 儲能模組：很多是泡棉、填充膠、PCM、複材，尺寸大又非均質，Hot Disk容易上手；但若是要量 PCM的熔融焓，DSC則較合適
➢ 高分子複材 & 電子構裝材料：想看樹脂本體的Tg、結晶度變化 → DSC；想知道整塊板材的實際熱傳行為 → Hot Disk

科邁斯科技長期致力於協助電子、半導體、化工與材料研發單位建置熱性質檢測能力，包含各項熱分析儀、Hot Disk TPS瞬態熱源法量測等。若您目前的熱模擬需要更貼近實物的Cp、或想確認現有DSC結果是否能對應到實體結構，我們可以提供測試策略建議與實際量測服務，歡迎隨時與我們聯繫。

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