電子設(shè)備熱設(shè)計(jì)中高效導(dǎo)熱墊的選型方法*

馬建章

（中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北石家莊 050081）

引 言

在電子設(shè)備熱設(shè)計(jì)中，柔性導(dǎo)熱墊具有良好的導(dǎo)熱性、彈性、延展性和較高的絕緣性，成為降低接觸熱阻的首選[1]。在實(shí)際設(shè)計(jì)中, 一般憑經(jīng)驗(yàn)選擇導(dǎo)熱墊的型號(hào)，沒有經(jīng)過理論計(jì)算和仿真分析，存在由導(dǎo)熱墊選型不合理導(dǎo)致的電子設(shè)備熱失效現(xiàn)象[2]。本文在研究熱源與散熱板間隙尺寸鏈和單層平壁導(dǎo)熱理論的基礎(chǔ)上，提出了一種高效導(dǎo)熱墊選型方法，包含導(dǎo)熱墊厚度的計(jì)算、導(dǎo)熱系數(shù)的計(jì)算和粘性的選擇。該方法與工程實(shí)際緊密結(jié)合，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)熱設(shè)計(jì)中導(dǎo)熱墊選型缺乏理論計(jì)算的不足，使電子設(shè)備熱設(shè)計(jì)更加準(zhǔn)確合理，提高了電子設(shè)備的可靠性。

1 導(dǎo)熱墊的性能參數(shù)

導(dǎo)熱墊的性能參數(shù)一般包含顏色、基材、厚度、密度、硬度、導(dǎo)熱系數(shù)、壓力、熱阻、應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系、粘性、工作溫度、擊穿電壓、體電阻率、阻燃等級(jí)等。其中，厚度、硬度、導(dǎo)熱系數(shù)、應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系、壓縮量、粘性等是導(dǎo)熱墊的重要參數(shù)。表1給出了貝格斯公司的導(dǎo)熱墊GP3000S30和日本富士的導(dǎo)熱墊SARCOM XR-m的性能參數(shù)。

表1 GP 3000S30和SARCOM XR-m導(dǎo)熱墊性能參數(shù)

1.1 厚度

導(dǎo)熱墊的厚度范圍一般是0.25～5 mm。在已選定熱源和導(dǎo)熱墊的情況下，從平板導(dǎo)熱的傅里葉公式可知，導(dǎo)熱墊的厚度與兩側(cè)溫差成正比，減小導(dǎo)熱墊的厚度可以降低導(dǎo)熱墊兩側(cè)的溫差。因此，導(dǎo)熱墊應(yīng)盡量薄[3]。

1.2 硬度

導(dǎo)熱墊的硬度與粘性、抗拉強(qiáng)度、導(dǎo)熱系數(shù)、回彈性等關(guān)系密切。硬度低的導(dǎo)熱墊非常柔軟，其回彈性較差；硬度高的導(dǎo)熱墊達(dá)到設(shè)計(jì)壓縮量的壓力較大，可能會(huì)損壞器件或使散熱板變形。因此，在電子設(shè)備熱設(shè)計(jì)中，要選擇硬度適中的導(dǎo)熱墊，導(dǎo)熱墊的邵氏硬度范圍一般為40～65。

1.3 導(dǎo)熱系數(shù)

導(dǎo)熱系數(shù)是表征物體導(dǎo)熱能力的物理量，導(dǎo)熱系數(shù)越高表示物體的導(dǎo)熱能力越強(qiáng)。導(dǎo)熱系數(shù)是導(dǎo)熱墊最關(guān)鍵的參數(shù)，它決定導(dǎo)熱墊的熱傳導(dǎo)效率。

1.4 應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系

應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系是表征彈性材料機(jī)械性能的關(guān)鍵指標(biāo)之一，它與導(dǎo)熱墊的硬度關(guān)系密切。

1.5 壓縮量

壓縮量是導(dǎo)熱墊在實(shí)際使用中壓縮后的厚度，導(dǎo)熱墊的壓縮量一般為15%～40%。

1.6 粘性

導(dǎo)熱墊一般雙面皆帶粘性，可使熱源、導(dǎo)熱墊和散熱器接觸更緊密，從而有效降低接觸熱阻，優(yōu)化導(dǎo)熱效果，但拆卸困難。對導(dǎo)熱墊一個(gè)表面進(jìn)行硬化處理，可生產(chǎn)出單面粘性的導(dǎo)熱墊，在不影響安裝和導(dǎo)熱系數(shù)的情況下，提高其可拆卸性。

2 導(dǎo)熱墊的選型方法

2.1 熱源與散熱凸臺(tái)間隙尺寸鏈

在電子設(shè)備中，熱源與散熱板之間的間隙尺寸鏈主要有2種形式：1）熱源在印制板上（圖1）[4]；2）熱源在小板上，小板安裝在主板上（圖2）。由于印制板安裝位置的不同，每種形式又可分為印制板安裝在散熱板上和印制板未安裝在印制板上2種情況。

圖1 間隙尺寸鏈?zhǔn)疽鈭D（熱源在印制板上）

圖2 間隙尺寸鏈?zhǔn)疽鈭D（熱源在小板上）

圖1（a）的尺寸鏈為L0=L1-L2（L0為熱源到散熱凸臺(tái)的間隙尺寸，L1為印制板正面到散熱凸臺(tái)的距離，L2為熱源高度），則L0的公差T0=T1+T2（T1和T2分別為L1和L2的公差）。圖1（b）的尺寸鏈為L0=L′1-L2-L3-L5（L′1為主板底面到蓋板底面的距離，L3為印制板厚度，L5為散熱凸臺(tái)的高度），則L0的公差T0=T′1+T2+T3+T5（T′1為L′1的公差，T3和T5分別為L3和L5的公差）。

圖2（a）的尺寸鏈為L0=L1-L2-L3-L4（L4為印制板支撐柱的高度），則L0的公差T0=T1+T2+T3+T4（T4為L4的公差）。圖2（b）的尺寸鏈為L0=L′1-L2-L3-L5-L′3-L′4（L′3為小板厚度，L′4為小板到主板的距離），則L0的公差T0=T′1+T2+T3+T5+T′3+T′4（T′3和T′4分別為L′3和L′4的公差）。

對于其他形式，也有類似推論，即假設(shè)熱源與散熱板之間的間隙尺寸鏈有n個(gè)尺寸，則其熱源與散熱板之間的間隙為L0=L1-L2···-Ln，則L0的公差T0=T1+T2···+Tn。

在導(dǎo)熱墊厚度計(jì)算中，要使導(dǎo)熱墊的壓縮量范圍Δδ大于熱源與散熱板的間隙公差T0，可以由此計(jì)算出導(dǎo)熱墊的厚度。

2.2 單層平壁的穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱

導(dǎo)熱墊的熱量傳導(dǎo)可以簡單地看作單層平壁導(dǎo)熱，文獻(xiàn)[5]給出了單層平壁的穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱公式：

式中：φ為傳遞的熱量；λ為導(dǎo)熱系數(shù)；A為導(dǎo)熱面積；Δt為溫差；δ為厚度。

將公式（1）轉(zhuǎn)化后可得：

散熱方案確定后，可確定熱源熱耗和導(dǎo)熱面積，根據(jù)熱源與散熱板的縫隙可計(jì)算出導(dǎo)熱墊壓縮后的厚度，根據(jù)自然對流散熱理論可計(jì)算出熱源與散熱板的溫差，然后就可以計(jì)算出導(dǎo)熱墊的導(dǎo)熱系數(shù)。

2.3 導(dǎo)熱墊選型方法

導(dǎo)熱墊選型主要是根據(jù)設(shè)備的具體結(jié)構(gòu)形式、熱源、散熱方式等條件（主要是選擇導(dǎo)熱墊的厚度、導(dǎo)熱系數(shù)和粘度）來確定所需導(dǎo)熱墊的型號(hào)。具體方法是：1）計(jì)算導(dǎo)熱墊的厚度；2）計(jì)算導(dǎo)熱墊的導(dǎo)熱系數(shù)；3）選擇導(dǎo)熱墊的粘度；4）確定導(dǎo)熱墊的型號(hào)。

導(dǎo)熱墊的選型一般只針對自然對流散熱，對于強(qiáng)迫對流散熱，影響熱源表面溫度的因素很多，如散熱翅片的參數(shù)、風(fēng)道、風(fēng)機(jī)等，主要通過優(yōu)化散熱翅片參數(shù)、風(fēng)道、風(fēng)機(jī)選型等來降低熱源溫度，而導(dǎo)熱墊的性能對散熱系統(tǒng)的影響可忽略不計(jì)。因此，本文只針對自然對流散熱進(jìn)行研究和分析。

2.3.1 計(jì)算導(dǎo)熱墊厚度

導(dǎo)熱墊厚度的計(jì)算原則是導(dǎo)熱墊的壓縮量范圍Δδc大于散熱板和熱源的縫隙公差T0。首先根據(jù)設(shè)備結(jié)構(gòu)形式，計(jì)算散熱板和熱源縫隙的尺寸鏈和尺寸鏈公差；再根據(jù)尺寸鏈公差計(jì)算導(dǎo)熱墊的壓縮量范圍；最后依據(jù)壓縮量范圍大于尺寸鏈公差的原則計(jì)算出導(dǎo)熱墊的最小厚度，并由此選擇導(dǎo)熱墊的厚度。

導(dǎo)熱墊的壓縮量一般為15%～40%，所以其壓縮量范圍Δδc=δc×45%-δc×15%=0.25δc（δc為導(dǎo)熱墊的厚度）。按照導(dǎo)熱墊厚度計(jì)算原則，Δδc≥T0，由此計(jì)算得δc≥4T0。根據(jù)此公式可以計(jì)算出所需導(dǎo)熱墊的厚度。

2.3.2 導(dǎo)熱系數(shù)計(jì)算

導(dǎo)熱墊導(dǎo)熱系數(shù)的計(jì)算過程如下：1）確定熱源的發(fā)熱量和結(jié)溫允許工作溫度；2）根據(jù)環(huán)境溫度和設(shè)備的散熱形式計(jì)算出機(jī)殼或散熱板的表面溫度，進(jìn)而計(jì)算出熱源與散熱板的溫差，即導(dǎo)熱墊兩側(cè)的溫差；3）計(jì)算導(dǎo)熱墊的厚度；4）根據(jù)公式（2）計(jì)算出導(dǎo)熱墊的導(dǎo)熱系數(shù)。

對于有多個(gè)熱源的設(shè)備，首先要計(jì)算每個(gè)熱源上導(dǎo)熱墊兩側(cè)的溫差，再計(jì)算導(dǎo)熱墊的導(dǎo)熱系數(shù)，取最大值選擇導(dǎo)熱墊。在導(dǎo)熱系數(shù)的計(jì)算過程中，導(dǎo)熱墊兩側(cè)溫差的計(jì)算最為關(guān)鍵。對于自然對流散熱，假設(shè)散熱板為表面溫度均勻的大平板，則可根據(jù)文獻(xiàn)[6]的方法計(jì)算出散熱板表面的溫度，在計(jì)算時(shí)還要考慮輻射散熱的影響[7]。

2.3.3 導(dǎo)熱墊粘性的選擇

在一般情況下，建議選擇單面粘性的導(dǎo)熱墊。但當(dāng)所用導(dǎo)熱墊的導(dǎo)熱系數(shù)≥12 W/(m·K)時(shí)，導(dǎo)熱墊的硬度很低，可以采用雙面粘性的導(dǎo)熱墊。在熱源數(shù)量少、面積小時(shí)，也可采用雙面粘性導(dǎo)熱墊。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

某交換機(jī)為上架設(shè)備，其外形尺寸為482.6 mm（寬）×88.1 mm（高）×300 mm（深）。它由機(jī)箱、蓋板、底板、主板、電源等組成，主板固定在蓋板上，電源固定在側(cè)板上。熱源的分布如圖3所示，各個(gè)熱源的發(fā)熱量、允許的最高工作溫度、面積見表2。

表2 交換機(jī)熱源數(shù)據(jù)

圖3 交換機(jī)主板熱源布局圖

設(shè)備采用自然對流散熱，首先通過傳導(dǎo)的方式將熱量傳遞到設(shè)備的蓋板上（蓋板尺寸為440 mm（長）×300 mm（寬）），再通過自然對流散熱。設(shè)備工作的最高環(huán)境溫度為55°C。在此設(shè)備散熱設(shè)計(jì)中，需要選擇合適的導(dǎo)熱墊。

3.1 選擇導(dǎo)熱墊的厚度

主板直接固定在蓋板的支柱上，符合第1種情況的圖1（a），其尺寸鏈為L0=L1-L2，L0的公差T0=T1+T2。計(jì)算熱源頂面與蓋板凸臺(tái)的尺寸鏈公差。

計(jì)算得每個(gè)熱源高度尺寸公差，其中熱源19、熱源20、熱源21和熱源22的高度尺寸公差最大，它們的高度為9.7 mm，公差為-0.2～+0.2 mm，即T1=0.4 mm；凸臺(tái)到支柱頂面的尺寸為10.7 mm，公差為-0.05～+0 mm，即T2=0.05 mm。T0=T1+T2=0.45 mm，δ ≥4T0=0.45×4=1.8 mm。

因此，選擇厚度為2 mm的導(dǎo)熱墊能滿足要求，導(dǎo)熱墊壓縮后的理論厚度為1.5 mm，實(shí)際壓縮后最大厚度為1.7 mm，最小厚度為1.3 mm。

3.2 計(jì)算所需導(dǎo)熱墊的導(dǎo)熱系數(shù)

3.2.1 計(jì)算蓋板輻射散熱和自然對流散熱量

在環(huán)境溫度為55°C時(shí)，假設(shè)蓋板表面溫度均勻，為85°C。文獻(xiàn)[8]給出了大平板熱面向上時(shí)，自然對流散熱傳遞熱量的計(jì)算公式：

式中：φc為自然對流換熱量；Ac為自然對流換熱面積；tw1和tw2分別為換熱面溫度和流體溫度；h為自然對流換熱系數(shù)；Δtc為流體與換熱面溫差。

查閱文獻(xiàn)[9]得空氣的導(dǎo)熱系數(shù)λm= 2.96×10-2W/(m·K)，運(yùn)動(dòng)粘度ν2= 20.02×10-6m2/s，普朗特?cái)?shù)Pr= 0.694，體積膨脹系數(shù)β= 2.9×10-3K-1，重力加速度g=9.8 m/s2。

蓋板散熱可以簡化為水平放置的大平板自然對流散熱，熱面朝上。蓋板的定型尺寸L為：

當(dāng)蓋板溫度為85°C時(shí)，通過自然對流散熱的換熱量為：

輻射換熱量的計(jì)算式為：

式中：φr為輻射換熱量；Ar為輻射換熱面積；ε為黑度；σb為黑體輻射常數(shù)；Tw1和Tw2為兩個(gè)換熱面的表面溫度。

由文獻(xiàn)[10]得σb= 5.67×10-8W/(m2·K4)，ε= 0.8，則當(dāng)蓋板溫度為85°C時(shí)，輻射散出的熱量為：

通過計(jì)算得出結(jié)論：蓋板通過輻射的傳熱量與自然對流散熱的傳熱量比為4:5。此結(jié)論適用于大部分采用自然對流散熱的電子設(shè)備。通過結(jié)論可以認(rèn)為設(shè)備內(nèi)47.4 W的熱量有21.1 W通過自然對流排出，有26.9 W通過輻射排出。

3.2.2 計(jì)算蓋板溫度

分別計(jì)算自然對流散熱傳遞21.1 W熱量和輻射散熱傳遞26.9 W熱量時(shí)蓋板的溫度，選取較大值計(jì)算蓋板溫度與熱源允許的最高工作溫度的差值。自然對流散熱21.1 W熱量時(shí)，蓋板的溫度為：

選取較高值83°C作為蓋板的平均溫度，熱源允許的最高工作溫度為85°C和125°C，選取較低值計(jì)算蓋板與熱源之間的溫差Δt：

3.2.3 計(jì)算導(dǎo)熱系數(shù)

導(dǎo)熱墊壓縮后最大厚度為1.7 mm，以此厚度計(jì)算所需導(dǎo)熱墊的導(dǎo)熱系數(shù)。由于熱源數(shù)量較多，分別計(jì)算每個(gè)熱源所需導(dǎo)熱墊的導(dǎo)熱系數(shù)。計(jì)算得熱源7所需導(dǎo)熱墊的導(dǎo)熱系數(shù)最大，其導(dǎo)熱系數(shù)為：

由于實(shí)物蓋板采用鋁合金材料，其導(dǎo)熱系數(shù)為117 W/(m·K)[11]，蓋板表面存在溫度梯度，溫度并不均勻，因此要適當(dāng)提高導(dǎo)熱系數(shù)。在這個(gè)設(shè)備中，選擇導(dǎo)熱系數(shù)為8 W/(m·K)的導(dǎo)熱墊。

3.2.4 選擇粘性

由于熱源較多，雙面粘性的導(dǎo)熱墊拆卸起來較困難，因此選擇單面粘性的導(dǎo)熱墊。

3.2.5 確定導(dǎo)熱墊的型號(hào)

根據(jù)以上結(jié)果，確定選用泰派斯特公司的TGTP800單面粘性導(dǎo)熱墊。

3.3 仿真和試驗(yàn)

使用Icepak軟件對設(shè)備散熱設(shè)計(jì)進(jìn)行仿真分析，結(jié)果如圖4所示。在環(huán)境溫度為55°C時(shí)，熱源9、熱源15、熱源16、熱源17和熱源18的最高溫度為94.4°C，低于125°C。熱源7的最高溫度為84.8°C，低于85°C。計(jì)算結(jié)果與仿真結(jié)果基本一致，證明該方法是有效可行的。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，蓋板一般留有散熱齒，同時(shí)機(jī)箱的側(cè)板和底板也會(huì)通過輻射和自然對流散熱，因此熱源實(shí)際的溫度會(huì)低于仿真的溫度。

圖4 交換機(jī)熱仿真云圖

4 結(jié)束語

厚度和導(dǎo)熱系數(shù)是導(dǎo)熱墊的重要參數(shù)，在研究熱源與散熱凸臺(tái)間隙尺寸鏈和單層平壁導(dǎo)熱的基礎(chǔ)上，形成以厚度和導(dǎo)熱系數(shù)計(jì)算為依據(jù)的選型方法。該方法有理論基礎(chǔ)又與工程實(shí)際緊密結(jié)合，可為電子設(shè)備熱設(shè)計(jì)提供參考。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，散熱板表面的溫度與散熱面的形狀、位置、表面涂覆等因素關(guān)系密切。若無法計(jì)算出散熱板表面溫度，可根據(jù)文獻(xiàn)[12]和文獻(xiàn)[13]進(jìn)行估算，進(jìn)而計(jì)算出導(dǎo)熱系數(shù)，再通過Icepak進(jìn)行仿真驗(yàn)證。