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(shí)驗(yàn)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(hù)的方便，電子設(shè)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(jī)構(gòu)壓緊等形式。文中對(duì)采用4個(gè)M2.5螺釘進(jìn)行連接以及采用鍥形塊鎖緊機(jī)構(gòu)進(jìn)行連接兩種情況的接觸熱阻進(jìn)行了對(duì)比實(shí)驗(yàn)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(dǎo)熱硅脂、銦箔和導(dǎo)熱襯墊)時(shí)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(jī)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(dǎo)熱硅脂時(shí)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(hù)的方便，雷達(dá)等電子設(shè)備一般進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)，它往往包括若干個(gè)現(xiàn)場(chǎng)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(gè)LRU往往包括若干個(gè)現(xiàn)場(chǎng)可更換的模塊(LRM)，因此，無(wú)論是采用強(qiáng)迫風(fēng)冷還是強(qiáng)迫液冷的形式，冷卻介質(zhì)往往只能與LRM模塊的殼體進(jìn)行接觸。而且，為了安裝和維護(hù)的方便，在雷達(dá)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(dòng)(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(shí)內(nèi)部流道內(nèi)的流體與冷板進(jìn)行熱交換)，模塊工作時(shí)產(chǎn)生的熱量通過(guò)模塊的殼體先傳導(dǎo)給冷板的殼體，然后再通過(guò)對(duì)流換熱的方式傳給冷卻介質(zhì)，通過(guò)冷卻介質(zhì)的流動(dòng)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(jī)構(gòu)壓緊等形式。不同連接情況的冷卻效果如何，前人對(duì)此進(jìn)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(chǎng)合的實(shí)驗(yàn)研究[2-3]。對(duì)于干接觸，一般來(lái)說(shuō)，壓緊力越大，接觸熱阻就越小[4-5]。但壓緊力不可能無(wú)限增大，尤其是精密電子設(shè)備的場(chǎng)合。在壓緊力相同的場(chǎng)合，采用銦箔、導(dǎo)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(shí)，為了指導(dǎo)實(shí)際的工程應(yīng)用，還是需要進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試。鑒于此，本文對(duì)電子設(shè)備組件與冷板之間采用螺釘連接、鎖緊機(jī)構(gòu)壓緊兩種方式的冷卻效果進(jìn)行了對(duì)比實(shí)驗(yàn)研究，并進(jìn)一步研究了在接觸界面分別填充導(dǎo)熱硅脂、銦箔和導(dǎo)熱襯墊以及無(wú)填充時(shí)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(shè)計(jì)提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖1所示。熱量通過(guò)安裝在組件上的加熱電阻產(chǎn)生，單個(gè)電阻的阻值為100 Ω，通過(guò)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(guò)螺釘或鍥形塊鎖緊機(jī)構(gòu)與冷板連接，冷板的進(jìn)出口分別與末端冷卻機(jī)組的供、回液管路相連。

圖1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)圖

圖2 組件在冷板上的布局示意圖

實(shí)驗(yàn)所用電阻的傳熱面積較真實(shí)組件的芯片傳熱面積大，為了使實(shí)驗(yàn)工況更接近實(shí)際，設(shè)計(jì)一個(gè)墊塊進(jìn)行過(guò)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(cè)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(duì)應(yīng)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(shí)驗(yàn)中，組件與冷板之間的連接包括兩種形式：一種是采用4個(gè)M2.5螺釘進(jìn)行連接；一種是采用鍥形塊鎖緊機(jī)構(gòu)進(jìn)行連接。本實(shí)驗(yàn)對(duì)上述兩種形式的冷卻效果進(jìn)行了對(duì)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(dǎo)熱硅脂和導(dǎo)熱襯墊)的冷卻效果。通過(guò)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(duì)組件和冷板間采用不同連接方式的冷卻效果進(jìn)行了對(duì)比研究，組件和冷板間分別采用鍥形塊鎖緊機(jī)構(gòu)和4個(gè)M2.5螺釘連接對(duì)應(yīng)的接觸熱阻如表1所示。從表中可以看出，鍥形塊鎖緊機(jī)構(gòu)連接時(shí)，6個(gè)測(cè)試點(diǎn)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(shí)，6個(gè)測(cè)試點(diǎn)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(dá)16.2%。可見，組件和冷板間采用鍥形塊鎖緊機(jī)構(gòu)進(jìn)行連接的冷卻效果要優(yōu)于采用4個(gè)M2.5螺釘進(jìn)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(shí)，螺釘位于組件4角，離熱源較遠(yuǎn)；而采用鍥形塊鎖緊機(jī)構(gòu)進(jìn)行連接時(shí)，鍥形塊鎖緊機(jī)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(shí)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(jī)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(duì)鍥形塊鎖緊機(jī)構(gòu)連接時(shí)，連接界面無(wú)界面材料以及界面材料分別為銦箔、導(dǎo)熱硅脂(TL-5121)和導(dǎo)熱襯墊(Q-Pad3-0.005-AC)時(shí)的冷卻效果進(jìn)行了對(duì)比研究，上述4種情況對(duì)應(yīng)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(shí)，6個(gè)測(cè)試點(diǎn)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(shí)，6個(gè)測(cè)試點(diǎn)的接觸熱阻介于1.90～2.75 ℃/W之間，平均值為2.25 ℃/W，較無(wú)界面材料情況減少了0.26 ℃/W，降幅為11.2%；采用導(dǎo)熱硅脂作為界面材料時(shí)，6個(gè)測(cè)試點(diǎn)的接觸熱阻介于1.56～1.99 ℃/W之間，平均值為1.79 ℃/W，較無(wú)界面材料情況減少了0.53 ℃/W，降幅達(dá)22.8%；采用導(dǎo)熱襯墊作為界面材料時(shí)，6個(gè)測(cè)試點(diǎn)的接觸熱阻介于1.88～2.52 ℃/W之間，平均值為2.18 ℃/W，較無(wú)界面材料情況減少了0.14 ℃/W，降幅為6.03%。導(dǎo)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?。欢煵禽^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(dǎo)熱襯墊的性能則介于導(dǎo)熱硅脂和銦箔之間。

表2 采用不同界面材料時(shí)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(wú)界面材料2.552.502.192.242.082.382.32銦箔2.532.752.082.101.902.142.25導(dǎo)熱硅脂1.971.921.991.561.591.681.79導(dǎo)熱襯墊2.522.442.122.141.882.002.18

2.3 熱流密度的影響

本文對(duì)連接界面無(wú)界面材料、不同熱流密度情況下的接觸熱阻進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。本實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(yīng)用中，如果接觸連接形式相同，即使在不同的熱流密度場(chǎng)合，其接觸熱阻也基本相同。通過(guò)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(jì)算得到該界面的溫升，這可為相關(guān)的設(shè)計(jì)和應(yīng)用提供參考。

表3 不同熱流密度時(shí)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(yǔ)

本文對(duì)采用4個(gè)M2.5螺釘進(jìn)行連接及采用鍥形塊鎖緊機(jī)構(gòu)進(jìn)行連接兩種情況的接觸熱阻進(jìn)行了對(duì)比實(shí)驗(yàn)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(shí)的接觸熱阻。結(jié)論如下：

1)鎖緊機(jī)構(gòu)連接方式的接觸熱阻小于螺釘連接時(shí)的情況；

2)在連接界面添加界面材料時(shí)的接觸熱阻小于不添加界面材料的情況；而添加導(dǎo)熱硅脂時(shí)的接觸熱阻小于添加導(dǎo)熱襯墊的情況，添加銦箔時(shí)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(duì)熱阻的影響[J]. 電子機(jī)械工程, 2014, 30(2): 19-22.

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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(jí)工程師，主要從事電子設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作。