降低固-固界面接觸熱阻研究*

呂曉衛(wèi)，馮展鷹，馮杏梅，金貴東

(南京電子技術(shù)研究所， 江蘇 南京 210039)

降低固-固界面接觸熱阻研究*

呂曉衛(wèi)，馮展鷹，馮杏梅，金貴東

(南京電子技術(shù)研究所， 江蘇 南京 210039)

接觸熱阻是影響固-固界面之間傳熱的重要因素，文中研究了界面壓力、接觸面粗糙度、接觸面平面度和在固-固界面添加導(dǎo)熱介質(zhì)等方式對固-固界面接觸熱阻的影響。研究顯示在低壓力水平和四角加壓的方式下，降低接觸面粗糙度和在接觸面之間填充導(dǎo)熱介質(zhì)可以有效降低固-固界面的接觸熱阻。

固-固界面；接觸熱阻；粗糙度；填充介質(zhì)

引 言

隨著集成電路技術(shù)的不斷發(fā)展，微電子元器件的組裝密度迅速提高，使得組件和設(shè)備的熱流密度也迅速增加，特別在體積、重量受到嚴(yán)格限制的電子設(shè)備中表現(xiàn)尤為突出。目前，在部分電子設(shè)備中，高功率器件的功率密度已達(dá)數(shù)十瓦每平方厘米，在這種情況下，為了使組件和設(shè)備能按預(yù)定的參數(shù)正常可靠地工作，必須對發(fā)熱器件進(jìn)行有效的熱設(shè)計和熱控制[1-3]。

目前，電子設(shè)備的冷卻措施主要有自然冷卻、風(fēng)冷和液冷三種方式[2]。對于液冷冷卻來說，需要將發(fā)熱模塊和液冷模塊通過焊接或機械連接的方式組合在一起，或者將發(fā)熱模塊和液冷模塊設(shè)計成一體結(jié)構(gòu)[4-5]。對于將發(fā)熱模塊和液冷模塊做成一體或焊接在一起的方式，模塊之間無接觸界面，故不存在接觸熱阻，散熱效率很高。但是一體化設(shè)計或?qū)l(fā)熱模塊和液冷模塊焊接在一起的方式會大大增加設(shè)計難度和制造難度，因此仍有較多的電子設(shè)備其發(fā)熱模塊和液冷模塊是通過機械方式固定在一起。在這種條件下，發(fā)熱模塊和液冷模塊之間存在接觸熱阻，會大大降低二者之間的傳熱效率，影響發(fā)熱模塊的散熱。為此，本研究擬針對固-固界面的接觸熱阻進(jìn)行研究，分析固-固界面壓力、接觸面粗糙度、接觸面平面度和在固-固界面添加導(dǎo)熱介質(zhì)等方式對接觸熱阻的影響，以期找到一種能夠有效降低固-固界面接觸熱阻的方法。

1 試 驗

試驗系統(tǒng)如圖1所示，主要由發(fā)熱體、鋁硅板材、液冷冷板和溫度采集系統(tǒng)組成。其中發(fā)熱體為鋁殼電阻(型號RX24，尺寸29 mm × 11 mm × 10 mm)，通電后產(chǎn)生熱量，模擬發(fā)熱器件。鋁硅板材為哈爾濱工業(yè)大學(xué)提供的含Si 量50 vol%的鋁硅復(fù)合材料，尺寸70 mm × 140 mm × 2 mm。冷板材料為6063鋁合金，大小為70 mm × 140 mm，冷板中間有空腔，可以通冷卻液。冷板中冷卻液選用去離子水，供液溫度15.3 ℃。溫度采集系統(tǒng)由高靈敏度K型熱電偶(直徑0.6 mm)、NI9211數(shù)據(jù)采集模塊及溫度記錄軟件Labview組成。試驗所用填充材料為銦箔，尺寸70mm×70mm× 0.3 mm。

圖1 試驗系統(tǒng)示意圖

實驗前將發(fā)熱體表面鍍鎳鍍錫，使用低溫銦錫焊料將發(fā)熱體焊接于鋁硅板材中部，然后將焊接有發(fā)熱體的鋁硅板材放置于液冷冷板上，在四角加壓固定(如圖2所示)。然后將熱電偶測溫端用銅箔膠帶固定于發(fā)熱體頂部、鋁硅板材上距離發(fā)熱體10 mm處以及冷板出水口處，用以測量發(fā)熱體表面、鋁硅板材和冷卻液的溫度。實驗過程中，為了保證采集的溫度數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，在發(fā)熱體發(fā)熱2 h后方進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，以保證試驗系統(tǒng)和周圍環(huán)境達(dá)到熱平衡，減小環(huán)境溫度對試驗系統(tǒng)的影響。

圖2 發(fā)熱體焊接位置和施壓位置示意圖

試驗系統(tǒng)建立以后，設(shè)定發(fā)熱體的發(fā)熱功率為50 kW，冷卻水流量0.36 L/min。在這一條件下，根據(jù)4因子2水平的全因子實驗設(shè)計(各影響因素的水平如表1所示)，測定了不同壓力、平面度、粗糙度和填充介質(zhì)下，發(fā)熱體、鋁硅板材以及出水口冷卻水的溫度。

表1 不同影響因素的水平

2 結(jié)果與討論

測溫結(jié)果如表2所示。 根據(jù)實驗結(jié)果可知，冷卻水溫度在實驗過程中變化浮動不到1 ℃左右，實驗誤差對其影響較大，因此，選擇發(fā)熱體表面和鋁硅板材表面的溫度作為研究對象，使用minitab軟件對各因素的主效應(yīng)和交互作用進(jìn)行了分析。

表2 不同條件下的實驗結(jié)果

2.1各因素主效應(yīng)分析

通過minitab計算了各因素對發(fā)熱體表面溫度和鋁硅板材表面溫度的影響的主效應(yīng)圖，如圖3所示?？梢钥闯?，發(fā)熱體表面溫度和鋁硅板材表面溫度隨各因素的變化規(guī)律基本一致。因此后續(xù)分析均以發(fā)熱體表面溫度為主，評估各因素對接觸熱阻的影響。

圖3 不同影響因素的主效應(yīng)圖

計算了各因素能夠使發(fā)熱體表面溫度降低的平均值，如表3所示。從圖3和表3可以看出，在試驗確定的條件下，對于發(fā)熱體來說，鋁硅板材的粗糙度由1.3 μm減低到0.3 μm可以使發(fā)熱體表面溫度平均降低約11 ℃，添加銦箔可以使發(fā)熱體表面溫度平均降低約6 ℃。這說明粗糙度和填充物能夠有效降低發(fā)熱體表面溫度，而平面度和壓力對發(fā)熱體溫度的影響較小。由此可以看出，降低粗糙度和添加導(dǎo)熱介質(zhì)能夠有效降低固-固界面的接觸熱阻，而平面度和壓力則影響較小。

表3 各因素使發(fā)熱體表面溫度降低的平均值

固體表面在微觀上是凹凸不平的，固-固接觸表面的實際接觸面積只占名義接觸面積的0.01%～0.1%，即使兩界面接觸壓力達(dá)到10 MPa，實際接觸面積也僅占名義接觸面積的1%～2%，這種接觸狀況引起熱流的收縮，從而產(chǎn)生接觸熱阻[5-7]。粗糙度是衡量固體表面微觀起伏程度的物理量。粗糙度降低，意味著鋁硅板材表面微觀起伏程度降低，在其他條件相同的情況下可以有效增大實際接觸面積，提高鋁硅板材和冷板之間的傳熱效率，從而降低接觸面之間的接觸熱阻。

實驗所用填充物為銦箔，銦的硬度較低，在壓力作用下很容易變形，可以填充鋁硅板材和冷板之間的宏觀間隙。一方面銦箔將界面宏觀間隙之間原來的導(dǎo)熱率較差的空氣替換為導(dǎo)熱率較好的金屬；另一方面，銦箔受到擠壓變形后，會增大界面之間的接觸面積，從而提高二者之間的傳熱效率。因此在鋁硅板材和冷板之間添加導(dǎo)熱介質(zhì)可以有效降低二者之間的接觸熱阻。

平面度是衡量物體表面宏觀起伏程度的物理量。平面度降低可以減小冷板和鋁硅板材之間的宏觀間隙，使得界面之間宏觀間隙中的空氣層變薄，提高傳熱效率，但間隙依然存在，接觸面的實際接觸面積并沒有明顯增加。因此降低平面度雖然可以在一定程度上降低接觸面之間的接觸熱阻，但效果不明顯。

實驗過程中，壓力是通過鋁硅板材的四角施加的，通過計算機模擬的方式，計算了0.5 MPa四角加壓情況下鋁硅板材上的壓強分布，如圖4所示。從圖中可以看出，四角施加的壓力隨著距離施力位置的距離的增加，迅速衰減，無法傳遞到中間，因此壓力變化對接觸熱阻的影響較小。

圖4 四角加壓情況下，鋁硅板材上的壓力分布

2.2各因素之間的相互作用

壓力、粗糙度、平面度和填充物之間還有一定的相互作用，通過minitab分析了各因素之間的相互作用，可以看到，除了填充物和平面度以及壓力之間的相互作用較強以外，其他影響因素之間的相互作用均較弱。

為了更清晰地分析填充物和平面度以及壓力之間的相互作用，進(jìn)行了定量計算，具體數(shù)值如表4所示。

表4 填充物和平面度以及壓力之間的相互作用℃

各影響因素的相互作用如圖5所示。

圖5 各影響因素的相互作用圖

可以看出，添加填充物后，當(dāng)鋁硅板材的平面度從0.08 mm降低到0.02 mm時，平面度變化能夠引起的發(fā)熱體表面溫度降低由3.04 ℃下降到了0.83 ℃。這表明有填充物的情況下，平面度的影響將會減弱。平面度主要影響鋁硅板材和冷板之間的宏觀間隙，銦箔硬度低，易變形，因此銦箔的加入可以很容易地填補宏觀間隙，使得平面度的影響減弱。

添加填充物后，當(dāng)壓力由0.1 MPa增加到0.3 MPa時，發(fā)熱體表面溫度由原來的下降0.99 ℃變?yōu)樯?.98 ℃。為了研究這一變化產(chǎn)生的原因，通過模擬方式研究了底部添加0.3 mm銦箔后鋁硅板材的壓強分布(圖6)?？梢钥闯?，添加銦箔后，由于銦箔的面積(70 mm × 70 mm)小于鋁硅板材的面積(70 mm × 140 mm)，導(dǎo)致壓強分布發(fā)生了較大的變化。鋁硅板材上，銦箔頂端所處位置發(fā)生了應(yīng)力集中，壓強較高，同時鋁硅板材部分區(qū)域發(fā)生了翹曲，導(dǎo)致壓力方向發(fā)生變化。這意味著隨著壓力的增大，銦箔和鋁硅板材之間的貼合度降低，最終導(dǎo)致發(fā)熱體表面溫度反而升高。

圖6 鋁硅板材底部添加銦箔后的壓強分布圖

3結(jié)束語

1)在較小的壓力狀態(tài)及四角加壓的情況下，降低接觸面粗糙度和在固-固界面之間填充導(dǎo)熱介質(zhì)可以有效降低固-固界面的接觸熱阻，提高散熱效率；與此同時，界面壓力和平面度對固-固界面的接觸熱阻影響不大。

2)在界面壓力、接觸面粗糙度、平面度和填充介質(zhì)這4個影響界面接觸熱阻的因素中，填充介質(zhì)和界面壓力以及平面度之間有較強的相互作用，其他因素之間的相互作用可以忽略。

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呂曉衛(wèi)(1982-)，男，工程師，主要從事電子束焊接、液冷散熱的研究。

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ResearchonReducingtheThermalContactResistancebetweenSolid-SolidInterface

LVXiao-wei，F(xiàn)ENGZhan-ying，F(xiàn)ENGXing-mei，JINGui-dong

(NanjingResearchInstituteofElectronicsTechnology,Nanjing210039,China)

Thermal contact resistance is an important factor influencing the thermal conductivity between solid-solid interface. In this research, the influence of interface pressure, surface roughness, surface flatness and filling material are studied. It is found that under the condition of low pressure level as well as adding pressure at the four corners of the interface, reducing the surface roughness or adding filling material between the interface can reduce the thermal contact resistance between solid-solid interface effectively.

solid-solid interface; thermal contact resistance; surface roughness; filling material

2015-05-20

TK124

：A

：1008-5300(2015)04-0037-04