固態(tài)組件和冷板間的接觸熱阻實驗研究*

賁少愚，李金旺，楊冬梅

(南京電子技術(shù)研究所， 江蘇 南京 210039)

固態(tài)組件和冷板間的接觸熱阻實驗研究*

賁少愚，李金旺，楊冬梅

(南京電子技術(shù)研究所， 江蘇 南京 210039)

為了維護的方便，電子設備固態(tài)組件與冷板之間的連接一般不采用焊接的方式，而是采用螺釘連接、鎖緊機構(gòu)壓緊等形式。文中對采用4個M2.5螺釘進行連接以及采用鍥形塊鎖緊機構(gòu)進行連接兩種情況的接觸熱阻進行了對比實驗研究，并研究了相同鎖緊形式下，在連接界面添加不同界面材料(導熱硅脂、銦箔和導熱襯墊)時的接觸熱阻，以及不同熱流密度情況下的接觸熱阻。結(jié)果表明：鎖緊機構(gòu)連接的接觸熱阻小于螺釘連接的情況；添加界面材料后接觸熱阻變??；界面材料中，添加導熱硅脂時的接觸熱阻最小，而銦箔最大。

接觸熱阻；固態(tài)組件；冷板；冷卻

引 言

為了維護的方便，雷達等電子設備一般進行模塊化設計，它往往包括若干個現(xiàn)場可更換的單元(LRU)，例如天線單元、處理單元、接收單元和電源單元等。一個LRU往往包括若干個現(xiàn)場可更換的模塊(LRM)，因此，無論是采用強迫風冷還是強迫液冷的形式，冷卻介質(zhì)往往只能與LRM模塊的殼體進行接觸。而且，為了安裝和維護的方便，在雷達系統(tǒng)中，冷卻介質(zhì)(特別是液體介質(zhì))一般不直接與LRM模塊接觸，而是只在冷板內(nèi)流動(所謂冷板，就是一種特殊的熱交換器，其內(nèi)部包含流道，工作時內(nèi)部流道內(nèi)的流體與冷板進行熱交換)，模塊工作時產(chǎn)生的熱量通過模塊的殼體先傳導給冷板的殼體，然后再通過對流換熱的方式傳給冷卻介質(zhì)，通過冷卻介質(zhì)的流動和循環(huán)將熱量帶走[1]。

組件與冷板之間的連接一般不采用焊接的方式，而是采用螺釘連接、鎖緊機構(gòu)壓緊等形式。不同連接情況的冷卻效果如何，前人對此進行了大量的研究，主要包括接觸熱阻模型方面的理論研究和一些特定場合的實驗研究[2-3]。對于干接觸，一般來說，壓緊力越大，接觸熱阻就越小[4-5]。但壓緊力不可能無限增大，尤其是精密電子設備的場合。在壓緊力相同的場合，采用銦箔、導熱襯墊等熱界面材料減小接觸熱阻是可行的[5-6]。在理論研究尚未完善時，為了指導實際的工程應用，還是需要進行實驗測試。鑒于此，本文對電子設備組件與冷板之間采用螺釘連接、鎖緊機構(gòu)壓緊兩種方式的冷卻效果進行了對比實驗研究，并進一步研究了在接觸界面分別填充導熱硅脂、銦箔和導熱襯墊以及無填充時的冷卻效果，還研究了不同熱流密度情況下的接觸熱阻，為相關(guān)的工程設計提供參考。

1 實驗

實驗系統(tǒng)如圖1所示。熱量通過安裝在組件上的加熱電阻產(chǎn)生，單個電阻的阻值為100 Ω，通過控制加在電阻上的電壓使電阻產(chǎn)生所需的熱量。所有工況均采用相同的組件和冷板，供液溫度22 ℃，供液流量為40 L/h，冷卻介質(zhì)為65%乙二醇水溶液。熱源在組件上的布局以及組件在冷板上的布局如圖2所示。加熱電阻焊接在組件上，組件通過螺釘或鍥形塊鎖緊機構(gòu)與冷板連接，冷板的進出口分別與末端冷卻機組的供、回液管路相連。

圖1 實驗系統(tǒng)圖

圖2 組件在冷板上的布局示意圖

實驗所用電阻的傳熱面積較真實組件的芯片傳熱面積大，為了使實驗工況更接近實際，設計一個墊塊進行過渡，墊塊一端面積等于某芯片的發(fā)熱面積(0.14 cm2)，另一端面積等于發(fā)熱電阻的底面積(2.3 cm2)。先將墊塊焊接在組件殼體底板上，再將發(fā)熱電阻用螺釘緊固安裝到墊塊上。測量接觸界面溫差的熱電偶分別位于界面的兩側(cè)(在熱源的正下方)，對應位置關(guān)系如圖3所示。

圖3 傳熱途徑截面示意圖

在本文的實驗中，組件與冷板之間的連接包括兩種形式：一種是采用4個M2.5螺釘進行連接；一種是采用鍥形塊鎖緊機構(gòu)進行連接。本實驗對上述兩種形式的冷卻效果進行了對比研究，并研究了相同鎖緊形式下，在連接界面添加不同界面材料(銦箔、導熱硅脂和導熱襯墊)的冷卻效果。通過給發(fā)熱電阻加上不同的電壓，可使電阻產(chǎn)生不同的熱量，由于電阻的發(fā)熱面積固定，從而可獲得不同熱流密度的工況。

2 結(jié)果與討論

2.1 鎖緊形式的影響

本文對組件和冷板間采用不同連接方式的冷卻效果進行了對比研究，組件和冷板間分別采用鍥形塊鎖緊機構(gòu)和4個M2.5螺釘連接對應的接觸熱阻如表1所示。從表中可以看出，鍥形塊鎖緊機構(gòu)連接時，6個測試點的接觸熱阻介于1.56～1.99 ℃/W之間，平均值為1.79 ℃/W；而M2.5螺釘連接時，6個測試點的接觸熱阻介于1.61～2.51 ℃/W之間，平均值為2.08 ℃/W，較前者增加了0.29 ℃/W，增幅達16.2%?？梢?，組件和冷板間采用鍥形塊鎖緊機構(gòu)進行連接的冷卻效果要優(yōu)于采用4個M2.5螺釘進行連接的情況。造成上述結(jié)果的原因可能是采用螺釘連接時，螺釘位于組件4角，離熱源較遠；而采用鍥形塊鎖緊機構(gòu)進行連接時，鍥形塊鎖緊機構(gòu)位于組件的兩邊上，離熱源較近。

表1 采用不同連接方式時各處的接觸熱阻 ℃/W

連接方式位置1位置2位置3位置4位置5位置6平均值鎖緊機構(gòu)連接1.971.921.991.561.591.681.79螺釘連接1.952.222.512.121.612.062.08

2.2 界面材料的影響

本文對鍥形塊鎖緊機構(gòu)連接時，連接界面無界面材料以及界面材料分別為銦箔、導熱硅脂(TL-5121)和導熱襯墊(Q-Pad3-0.005-AC)時的冷卻效果進行了對比研究，上述4種情況對應的接觸熱阻如表2所示。從表中可以看出，不采用界面材料時，6個測試點的接觸熱阻介于2.08～2.55 ℃/W之間，平均值為2.32 ℃/W；采用銦箔作為界面材料時，6個測試點的接觸熱阻介于1.90～2.75 ℃/W之間，平均值為2.25 ℃/W，較無界面材料情況減少了0.26 ℃/W，降幅為11.2%；采用導熱硅脂作為界面材料時，6個測試點的接觸熱阻介于1.56～1.99 ℃/W之間，平均值為1.79 ℃/W，較無界面材料情況減少了0.53 ℃/W，降幅達22.8%；采用導熱襯墊作為界面材料時，6個測試點的接觸熱阻介于1.88～2.52 ℃/W之間，平均值為2.18 ℃/W，較無界面材料情況減少了0.14 ℃/W，降幅為6.03%。導熱硅脂為液態(tài)，組件與冷板之間接觸間隙較小，從而接觸熱阻較小；而銦箔是較硬的材料，組件與冷板之間接觸間隙較大，從而接觸熱阻較大；而導熱襯墊的性能則介于導熱硅脂和銦箔之間。

表2 采用不同界面材料時各處的接觸熱阻 ℃/W

界面材料位置1位置2位置3位置4位置5位置6平均值無界面材料2.552.502.192.242.082.382.32銦箔2.532.752.082.101.902.142.25導熱硅脂1.971.921.991.561.591.681.79導熱襯墊2.522.442.122.141.882.002.18

2.3 熱流密度的影響

本文對連接界面無界面材料、不同熱流密度情況下的接觸熱阻進行了實驗研究。本實驗給發(fā)熱電阻分別加上27.0V、32.2V和38.4V的電壓，獲得的工況的熱流密度分別為52.1 W/cm2、74.3 W/cm2和105.8 W/cm2，實驗結(jié)果如表3所示。從表中可以看出，不同熱流密度、相同連接形式的情況下，接觸熱阻基本相同。在工程應用中，如果接觸連接形式相同，即使在不同的熱流密度場合，其接觸熱阻也基本相同。通過取接觸界面的接觸熱阻和接觸單元的熱耗值的乘積，從而可計算得到該界面的溫升，這可為相關(guān)的設計和應用提供參考。

表3 不同熱流密度時各處的接觸熱阻 ℃/W

熱流密度/(W·cm-2)位置1位置2位置3位置4位置5位置6平均值52.12.612.562.232.292.112.422.3774.32.552.52.192.242.082.382.32105.82.562.512.212.272.092.42.34

3 結(jié)束語

本文對采用4個M2.5螺釘進行連接及采用鍥形塊鎖緊機構(gòu)進行連接兩種情況的接觸熱阻進行了對比實驗研究，并研究了相同鎖緊形式下，在連接界面添加不同界面材料時的接觸熱阻。結(jié)論如下：

1)鎖緊機構(gòu)連接方式的接觸熱阻小于螺釘連接時的情況；

2)在連接界面添加界面材料時的接觸熱阻小于不添加界面材料的情況；而添加導熱硅脂時的接觸熱阻小于添加導熱襯墊的情況，添加銦箔時的接觸熱阻最大；

3)不同熱流密度、相同連接形式的情況下，接觸熱阻基本相同。

[1] 李金旺, 錢吉裕. 固態(tài)組件材料和結(jié)構(gòu)參數(shù)對熱阻的影響[J]. 電子機械工程, 2014, 30(2): 19-22.

[2] 王安良, 趙劍鋒. 接觸熱阻預測的研究綜述[J]. 中國科學：技術(shù)科學, 2011, 41(5): 545-556.

[3] 張平, 宣益民, 李強. 界面接觸熱阻的研究進展[J]. 化工學報, 2012, 63(2): 335-349.

[4] 畢冬梅, 陳煥新, 王釗, 等. 溫度及加載壓力對低溫下固-固接觸熱阻的影響[J]. 華中科技大學學報: 自然科學版, 2011, 39(5): 128-132.

[5] 徐圣亞, 洪國同. 真空低溫下螺釘壓緊的Cu-Cu界面間接觸熱阻的實驗研究[J]. 真空與低溫, 2010, 16(3): 153-156.

[6] 答邦寧. 導熱襯墊在印制板組件上的應用研究[J]. 電子機械工程, 2013, 29(3): 50-52, 64.

Experimental Study on Thermal Contact Resistance between Solid State Module and Cold Plate

BEN Shao-yu，LI Jin-wang，YANG Dong-mei

(NanjingResearchInstituteofElectronicsTechnology,Nanjing210039,China)

For convenient maintenance, bolt connection and impaction by locking mechanism are usually used between solid state module and cold plate instead of jointing connection in electronic equipments. The thermal contact resistances of two types of connection (connection by four M2.5 bolts and impaction by wedged-block locking mechanism) are experimentally studied by comparison in this article. The thermal contact resistances using same locking method but adding different interface material (thermal grease, indium foil and thermal conductive pad) and the thermal contact resistances under different thermal densities are also studied. Results show that the thermal contact resistance of locking mechanism connection is smaller than that of bolt connection; the thermal contact resistance is smaller when interface material are added; among the interface materials, the thermal contact resistance while adding thermal grease is the best and indium foil is the worst.

thermal contact resistance; solid state module; cold plate; cooling

2014-09-23

TK124

A

1008-5300(2014)06-0012-03

賁少愚(1972-)，男，高級工程師，主要從事電子設備結(jié)構(gòu)設計工作。