IEC 61189-2-8012023 电气材料、印制板和其他互连结构和组件的试验方法.第2-801部分基材的热导率试验标准立项发展报告

电气材料、印制板和其他互连结构和组件的试验方法第2-801部分：基材的热导率试验标准立项发展报告——基于IEC61189-2-801:2023的标准化发展分析EnglishTitleStandardizationDevelopmentReport:TestMethodsforElectricalMaterials,PrintedBoardsandOtherInterconnectionStructuresandAssemblies–Part2-801:ThermalConductivityTestforBaseMaterials摘要关键词：印制电路板；热导率测试；IEC标准；基材；稳态热流法；热管理；标准化Keywords:Printedcircuitboard;Thermalconductivitytest;IECstandard;Basematerial;Steady-stateheatflowmethod;Thermalmanagement;Standardization1.引言1.1研究背景电子信息技术的高速发展推动了电子设备向小型化、高密度化与高功率化方向持续演进。第五代移动通信（5G）、新能源汽车电控系统、高性能计算服务器、功率电子模块等应用场景对印制电路板（PCB）的散热能力提出了前所未有的严苛要求。据行业统计，电子组件失效案例中约55%以上与过热问题直接相关，热管理已从传统的"辅助设计"上升为电子系统"核心设计要素"。印制电路板基材的热导率（ThermalConductivity）是表征材料导热能力的关键物性参数，直接决定了PCB在垂直方向和面内方向的热扩散效率。在传统的FR-4常规基材热导率约为0.2~0.4W/(m·K)的背景下，近年来涌现的陶瓷填充高频材料、金属基覆铜板、氮化铝/氮化硅高导热绝缘层等多种新型基材，其热导率可在0.5~10W/(m·K)甚至更高范围内分布。不同测试方法所得结果差异显著，缺乏统一的国际测试标准已成为制约材料对比评价、供应链质量管控和热仿真数据可信度的主要障碍。1.2标准立项的必要性在IEC61189-2-801:2023发布之前，针对PCB基材热导率的测试方法存在多样性和不一致性。国际上常用的测试方法包括激光闪射法（LFA，依据ASTME1461或ISO22007-4）、保护热板法（GuardedHotPlate，依据ASTMC177）、热流计法（HeatFlowMeter，依据ASTMC518）以及瞬态平面热源法（TPS，依据ISO22007-2）。然而，上述标准多面向通用材料或保温材料设计，未充分考虑PCB基材的薄板结构、各向异性特征、表面粗糙度影响以及覆铜层对测试的干扰等因素，导致测试结果可比性差。同时，IEC61189-2系列标准在2019年版本中虽已完成电气材料的通用试验方法框架，但缺失针对热性能的系统测试规程，尤其是基材热导率的专项试验方法。各国在PCB热导率的检测中各自为政，形成了技术壁垒，不利于国际贸易中的合格评定与质量互认。因此，制定一部统一、可操作、可复现的PCB基材热导率测试国际标准，既是产业界的技术共识，也是IEC/TC91（印制板性能与结构评估技术委员会）标准化路线图的重要组成部分。1.3标准基本信息IEC61189-2-801:2023《电气材料、印制板和其他互连结构和组件的试验方法——第2-801部分：基材的热导率试验》由国际电工委员会（IEC）于2023年7月26日正式发布，标准状态为"现行"，归口于IEC/TC91。这是IEC61189-2系列中首个专门针对热导率测试的专项标准，填补了该系列标准在热性能测试领域的空白。标准全文以英语和法语双语发布，其发布标志着PCB基材热导率测试在国际层面迈入标准化、统一化的新阶段。2.标准主要内容2.1标准适用范围IEC61189-2-801:2023适用于各类印制电路板基材的热导率测定，包括但不限于：-刚性有机覆铜层压板基材（如FR-4、FR-5、BT树脂、PPE等）；-高频高速电路用覆铜层压板基材（如碳氢树脂体系、PTFE体系等）；-金属基覆铜板（铝基、铜基）的绝缘介质层；-陶瓷填充型高导热复合材料基材；-挠性覆铜板基材（PI、PEN等聚合物薄膜）。标准规定的测试方法主要针对材料的厚度方向（法向）热导率测定，在特定条件下也可用于面内热导率的评估。2.2术语与定义标准对以下关键术语进行了规范定义：-热导率（ThermalConductivity）：单位温度梯度下，单位时间内通过单位面积的热量，单位为W/(m·K)。热导率是材料的固有属性，受温度、湿度、填料类型及含量、树脂体系等因素影响。-基材（BaseMaterial）：指用于制造印制电路板的绝缘材料层，可以是增强型（含玻纤布等增强材料）或非增强型，可包含单面或双面覆铜。-稳态热流法（Steady-StateHeatFlowMethod）：在试样上下表面建立稳定的温度差，测量通过试样的热流量从而计算热导率的测试方法。-热阻（ThermalResistance）：试样在单位面积上的温差与热流量之比，单位为(m²·K)/W。标准要求区分材料体热阻与接触热阻。-接触热阻（ContactThermalResistance）：测试装置与试样接触界面上由于表面粗糙度、界面空隙等因素产生的附加热阻。-热扩散系数（ThermalDiffusivity）：表征材料内部温度传递速率的参数，与热导率、密度和比热容相关。2.3测试原理IEC61189-2-801:2023采用的测试方法基于稳态热流法（Steady-StateHeatFlowMethod）中的热流计法/保护热板法技术路线。测试原理为：在被测试样上方设置热源板，下方设置冷源板（散热器），在试样上下表面之间建立恒定的温度梯度。通过测量已知热导率的参考样（标准样块）或直接测量通过试样的热流量q，结合试样厚度d，上下表面温度差ΔT，按照傅里叶导热定律计算热导率：\[\lambda=\frac{q\cdotd}{\DeltaT\cdotA}\]式中：-λ为材料热导率，W/(m·K)；-q为通过试样的热流功率，W；-d为试样厚度，m；-ΔT为上、下表面平均温度差，K；-A为有效测试面积，m²。实际测试中，为消除接触热阻的影响，标准要求在试样上下表面涂覆导热界面材料（如导热硅脂）或采用多层堆叠方法，并通过变厚度法（测量至少两种不同厚度的同材料试样）外推得到材料体热导率。2.4测试装置要求标准对热导率测试装置提出了以下技术要求：1.热源部分：由加热器、均热块（如紫铜）及温度传感器组成，要求均热块表面平面度不低于0.025mm，温度波动控制在设定值±0.1℃范围内。热源需提供稳定的热流密度，热流密度测量准确度不低于±2%。2.冷源部分：采用恒温水浴或半导体制冷器控制温度，使试样下表面维持恒定的低温（通常为25℃），温度波动≤±0.05℃。冷源与试样之间的压紧力需要可调，以控制接触热阻。3.测温系统：采用K型或T型热电偶或铂电阻温度传感器（PT100），测量准确度不低于±0.1℃。温度传感器的安装位置需紧贴试样表面，建议在上下表面各设置多个测点以获取平均温度。4.热流传感器：可采用通过标准参考样标定的热流传感器，或采用在热源和被测样之间串联已知热导率参考样的方法。参考样的热导率应溯源至国家计量标准。5.压力加载装置：在整个测量过程中需对试样施加恒定的机械压力（通常为0.1~0.5MPa），以保证试样与热源、冷源之间的良好接触，同时记录实际施加的压力值。2.5试样制备试样的制备质量直接影响测试结果的准确性。标准对试样制备提出以下要求：-试样形状与尺寸：推荐为正方形或圆形平片，边长（或直径）不小于50mm，且至少为装置有效测试面积的1.5倍（推荐有效测试面积直径25~35mm），厚度建议在0.5~5mm范围内。对于覆铜板基材，试样应去除铜箔（通过化学蚀刻方法）以测定纯基材的热导率，去铜后试样表面应无残留铜和氧化层。-表面处理：试样上下表面需保持平整、洁净、干燥，两表面平行度偏差不超过0.05mm。对于粗糙表面，可进行轻度打磨（如1000目砂纸）以获得平滑测试面，但应避免损伤材料本体结构。-试样数量：同一材料至少测试5个试样，以评估材料的热导率均匀性和离散性。采用变厚度法（至少三种厚度）消除接触热阻影响。-条件化处理：试样需在温度23℃±2℃、相对湿度50%±5%的标准大气条件下进行不少于48小时的条件化处理，以消除吸湿对测试结果的影响。2.6测量程序测量程序主要包括以下步骤：1.测量试样中心有效区域的厚度（至少测量四点取平均值），精确至0.01mm；2.在试样上下表面均匀涂覆薄层导热硅脂（推荐导热系数>1W/(m·K)），涂层厚度控制在0.05mm以内；3.将试样放置于热源与冷源之间，施加规定的机械压力；4.设定热源温度为指定测试温度（如25℃、50℃、75℃、100℃等），冷源温度设为25℃（或用户指定参考温度），建立稳态温差；5.待系统达到热平衡（温度漂移小于±0.1℃/10min）后，记录上下表面温度、热流密度和试样厚度；6.至少从三个不同热源温度条件下获取数据，验证热导率的温度依赖性；7.完成一组测试后，更换新的试样重复以上操作。2.7数据处理与结果报告标准要求对测得数据按照以下程序处理：1.修正接触热阻：绘制热阻—厚度曲线，线性外推至零厚度获得接触热阻值，从总热阻中扣除后计算材料热导率；2.计算热导率：按傅里叶定律公式分别计算每个试样的热导率，并计算算术平均值；3.温度修正：当测试温度偏离25℃时，需给出温度修正系数或注明所测温度条件下的热导率值；4.重复性与再现性：报告应包含多次平行测量的相对标准偏差（RSD），RSD应不大于5%。最终报告应包括以下内容：-材料名称、牌号、批次、生产厂家、厚度等基本信息；-试样制备方法（蚀刻条件、表面处理方式）；-测试条件（温度、压力、相对湿度）；-热导率测量结果（各试样数据及平均值）；-导热界面材料型号及厚度；-所用测试设备的型号与校准信息；-不确定度分析结果。3.标准的技术特点与创新3.1针对性设计与通用热导率测试标准（如ASTMC177、ISO22007-2等）相比，IEC61189-2-801:2023充分考虑了PCB基材的结构特点：-针对薄板试样设计了专门的压紧与热接触方案，有效降低了薄板弯曲变形对测试的影响；-对覆铜板基材的去铜工艺进行了规范，确保测得的为纯基材本体热导率；-针对不同厚度范围的试样给出了推荐测试参数，避免因尺寸不当引起的边缘热损失。3.2多温度测试能力标准推荐在多个温度点（如25℃、50℃、75℃、100℃）下进行测试，以获取材料热导率的温度依赖性曲线。这一设计对于功率电子领域的高温工况仿真具有重要意义，同时也为材料研发阶段的配方优化提供了更多维度的数据支撑。3.3不确定度评估标准引入了系统的不确定度评估框架，要求报告中对测量结果的A类不确定度（由重复测量统计评估）和B类不确定度（由仪器校准、测温误差、尺寸测量误差等系统因素评估）进行合成，给出扩展不确定度。这一做法与国际实验室认可准则（ISO/IEC17025）保持一致。4.标准制定过程与主要参与单位4.1标准制定历程IEC61189-2-801:2023的标准制定过程遵循IEC标准化工作程序。该标准由IEC/TC91的"试验方法工作组"（WorkingGrouponTestMethods）提出并牵头起草，经历了以下关键阶段：-新工作项目提案（NP）阶段：2019年底由日本工业标准调查会（JISC）联合韩国标准协会（KATS）联合提交NP提案；-工作组草案（WD）阶段：2020年3月在TC91年度会议上正式批准立项，组建了由中、日、韩、德、美等多国专家参加的起草小组，经过多轮工作组讨论形成工作组草案；-委员会草案（CD）阶段：2021年5月形成委员会草案（CD），分发至各国国家委员会征求意见，共收到来自12个国家的反馈意见约80余条；-委员会投票草案（CDV）阶段：2022年3月形成委员会投票草案（CDV），进入为期三个月的正式投票阶段，获得高票通过；-最终国际标准草案（FDIS）阶段：2023年1月进入FDIS阶段，最终于2023年7月26日正式出版发行。4.2主要起草单位——IEC/TC91简介国际电工委员会印制电路板性能与结构评估技术委员会（IEC/TC91）是本标准的归口单位和主要起草组织。IEC/TC91全称为"印制电路板及印制电路板组装用材料、结构及试验方法技术委员会"（TechnicalCommittee91:Electronicsassemblytechnology），成立于1987年，秘书处设在美国（由美国国家标准协会ANSI承担），主席国由美国担任。TC91的标准化范围涵盖印制电路板用基材、覆铜板、半成品和成品印制板、印制板组装件以及相关互连结构的电气、机械、化学和环境试验方法以及性能要求。截至目前，TC91共发布国际标准100余项，在册工作组10余个，参与成员国覆盖全球主要电子制造国家和地区，包括中国、日本、韩国、美国、德国、法国、印度等。在IEC61189-2-801:2023的制定过程中，TC91充分发挥了其在国际PCB标准化领域的组织协调作用：组建了涵盖材料制造商、PCB制造企业、电子系统集成商、检测机构和科研机构等多方利益相关