熱傳導-Hot Disk 陶瓷基板的熱膨脹與散熱性能評估：TMA與Hot Disk的關鍵應用

隨著電子設備的高功率密度發展，陶瓷基板因其優異的高熱傳導性High K、低熱膨脹係數（CTE）、耐高溫等特性，在高性能電子封裝、LED 散熱基板、功率模組與5G通訊設備中廣泛應用。然而，為了確保其在極端工作環境下的穩定性，必須透過精確的熱機械分析（TMA）與熱傳導測試來評估其材料熱特性。

➤熱機械分析（TMA）：陶瓷基板的熱膨脹行為評估

熱膨脹係數（CTE）是影響陶瓷基板可靠性的關鍵參數，特別是在不同材料（如金屬、封裝材料）組成的複合結構中，熱膨脹失效可能會導致界面應力、翹曲或裂縫。因此，使用TMA（熱機械分析儀）進行CTE測試至關重要。

• Hitachi TMA測試優勢：

• 高靈敏度測試：Hitachi TMA配備高解析度LVDT位移感測技術，可精確測量奈米級尺寸變化，適用於超薄陶瓷基板。
• 廣泛溫度範圍：支援 -150°C至1500°C測試，適用於各種電子封裝與高溫應用材料。
• 多種測試模式：提供膨脹、壓縮、穿刺、拉伸、應力-應變等測試模式，可評估陶瓷基板的機械性能。
• 精準CTE測量：確保在不同溫度條件下陶瓷材料的穩定性，避免熱應力導致的結構失效。
• 低荷重測試：適用於薄膜與脆性材料，確保測試過程中不對樣品造成破壞。

▲圖一 Hitachi TMA7100熱機械分析儀 與 使用Hitachi TMA7100 量測AlN基板CTE測試結果
 

➤熱傳導率測試（Hot Disk）：陶瓷基板的高效散熱評估

陶瓷基板的熱傳導性能直接影響電子元件的散熱能力。常見的陶瓷材料如氮化鋁（AlN）、氧化鋁（Al₂O₃）、氮化矽（Si₃N₄），其熱傳導率需準確量測，以確保符合電子封裝的散熱需求。
 

• Hot Disk TPS（瞬態平面熱源法）測試優勢：

• 非破壞性測試：適用於多種陶瓷材料，無需特殊樣品製備。
• 各向異性測量：可分別測量垂直方向（Z軸）與平面方向（X-Y軸）的熱傳導係數，對於層狀陶瓷複合材料至關重要。
• 廣範的測試能力：可測量從低熱傳導（0.005 W/mK）至高熱傳導（1800 W/mK）材料，涵蓋各類複合材料。
• 快速分析：數秒即可得到熱傳導係數，熱擴散係數與比熱容，適合多種配方，多種燒結條件, 找尋適合研發條件與品質控管之用。

▲圖二 Hot Disk TPS3500熱傳導係數儀 與 使用Hot Disk TPS3500 量測陶瓷基板 測試結果

➤整合TMA與Hot Disk，提升陶瓷基板可靠性

陶瓷基板的熱性能直接關係到電子產品的可靠度與效能。透過TMA評估熱膨脹行為，確保尺寸穩定性，並利用Hot Disk測試熱傳導特性，優化散熱設計，可大幅提升產品可靠性與使用壽命。

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