３種常用熱界面材料的接觸熱阻壓力實驗研究

熱設(shè)計 2023-05-13

信息來源：知網(wǎng)

摘要：為了更好降低固－固界面接觸熱阻，研究了導(dǎo)熱硅脂、導(dǎo)熱橡膠墊、銦片這３種工程上常用的熱界面材料隨加載壓力變化對固－固界面接觸熱阻的影響。穩(wěn)態(tài)熱流法實驗結(jié)果表明，30psi的壓力為工程建議選取壓力值。如當(dāng)壓力小于30psi時，導(dǎo)熱硅脂和導(dǎo)熱橡膠墊對接觸熱阻的影響隨壓力變化顯著；當(dāng)壓力大于30psi時，導(dǎo)熱硅脂和導(dǎo)熱橡膠墊對接觸熱阻的影響隨壓力變化則不明顯；導(dǎo)熱橡膠墊的厚度隨壓力變化對接觸熱阻的影響較大，銦片隨壓力變化對接觸熱阻的影響是近似呈線性變化。

關(guān)鍵詞：一維穩(wěn)態(tài)熱流法；接觸熱阻；熱界面材料

界面接觸熱阻是指具有接觸傳熱關(guān)系的２個物體接觸面間的傳熱熱阻，也稱為接觸熱阻（thermal contact resistance，簡稱TCR）。如２個固體Ａ和Ｂ相互接觸發(fā)生熱傳遞時，微觀上接觸表面是無法做到完全貼合和理想光滑的，假設(shè)通過兩試件的熱流密度為ｑ，在Ａ,B內(nèi)部溫度成線性分布（斜率與材料導(dǎo)熱系數(shù)相關(guān)），在接觸面上會產(chǎn)生一個溫度的突躍ΔTc，如圖１所示。接觸熱阻Ｒ定義為２個接觸面的溫差ΔTc與通過２個試件的熱流密度ｑ之比，即：

在電子設(shè)備熱設(shè)計領(lǐng)域，溫度上升過高對器件的壽命和可靠性都具有非常不利的影響。當(dāng)熱流密度ｑ一定時，溫差ΔTc與接觸熱阻Ｒ成正比，降低Ｒ即可降低芯片的溫升。在大功率及高熱流密度傳熱應(yīng)用工況下，接觸熱阻是造成電子設(shè)備溫升過高的顯著環(huán)節(jié)，也愈來愈引起人們的重視。

圖1 界面接觸熱阻產(chǎn)生原理

國內(nèi)外接觸熱阻的研究主要集中在接觸傳熱機理、強化傳熱途徑、接觸熱阻的表征測試方法等方面。如對接觸傳熱機理的研究學(xué)者們提出了眾多從一維到三維描述表面形貌的模型和假設(shè)，用于計算、預(yù)測接觸熱阻和研究其作用機制，但目前還沒有令人滿意的理論模型或可靠的經(jīng)驗公式可以預(yù)測各種狀況下的接觸熱阻。當(dāng)前對固－固界面的強化傳熱方法研究則主要集中在表面處理技術(shù)和以納米管納米線、高定向熱解石墨、石墨烯、金剛石、納米銀、微米銅等新型熱界面材料的制備和實驗研究性能表征方面。而實驗表征測試是工程上獲取接觸熱阻的最主要途徑，長期以來對材料界面接觸傳熱性能的研究都是始于實驗測試，各種接觸熱阻理論研究模型和經(jīng)驗公式都是通過大量的實驗研究來建立和驗證的。但是，當(dāng)前對于工程上普遍應(yīng)用的熱界面材料，生產(chǎn)廠家大多提供的也僅是采用不同測試方法給出的材料導(dǎo)熱系數(shù)，這對于接觸熱阻的工程實踐并不具備較大的指導(dǎo)性。

因此，采用一維穩(wěn)態(tài)測量法對導(dǎo)熱硅脂、導(dǎo)熱橡膠墊、銦片這３種工程上常用的熱界面材料隨加載壓力變化對固－固界面接觸熱阻的影響，進行接觸熱阻的壓力實驗研究，以期能為工程實踐提供借鑒和參考。

01 實驗材料及實驗原理

1.1 實驗材料

實驗所采用的熱界面材料為導(dǎo)熱硅脂、導(dǎo)熱橡膠墊、銦片這３種，其型號和規(guī)格如表１所示。

表１實驗所用熱界面材料型號及規(guī)格

1.2 實驗原理

本研究采用工程上常用的一維穩(wěn)態(tài)測量法對接觸熱阻進行實驗研究，其工作原理為：上下熱流計為鎢銅圓棒，一端加熱，另一端冷卻，當(dāng)受到一定載荷壓力時，上下熱流計相互接觸并且有熱量的傳遞，采取抽真空或隔熱材料包裹等措施使熱量只能沿?zé)崃饔嬢S向單方向傳遞，測量熱流計軸向上各點的溫度值，由傅里葉定律外推至接觸界面處，從而得到界面上的溫差ΔTc和熱流密度ｑ，即可獲得接觸熱阻Ｒ，如圖２所示。

圖2 接觸熱阻穩(wěn)態(tài)法測量原理

1.3 實驗過程

采用桂林電子科技大學(xué)研發(fā)的接觸熱阻綜合測試儀對以上３種熱界面材料進行了原位實驗測試，熱電偶測試方案的測試精度優(yōu)于5％。

實驗步驟如下：

1. 上、下熱流計安裝前，在超聲波清洗器中用無水乙醇和丙酮依次進行清洗；

2. 在上、下熱流計上測試孔內(nèi)安裝熱電偶，用導(dǎo)熱膏固定，并在周圈包裹多層隔熱鋁箔材料；

3. 在兩接觸面上用200目的絲網(wǎng)篩刷涂導(dǎo)熱硅脂，導(dǎo)熱墊片和銦片則直接裁剪合適大小，直接放置即可；

4. 設(shè)定接觸面壓力，調(diào)節(jié)加熱功率大小，啟動恒溫水浴裝置，啟動真空抽吸系統(tǒng)；

5. 測試系統(tǒng)達到穩(wěn)態(tài)熱平衡后，軟件自動記錄測試結(jié)果并計算接觸熱阻數(shù)據(jù)，如圖４所示。

圖3 接觸熱阻綜合測試儀

圖4 接觸熱阻測試軟件界面

02 實驗結(jié)果與討論

2.1 導(dǎo)熱硅脂的實驗結(jié)果

導(dǎo)熱硅脂是一種用硅聚合物所制成的復(fù)合性油脂，內(nèi)含高度分散及經(jīng)微粉化的金屬氧化物，導(dǎo)熱脂硅為塑性材料，便于元器件反復(fù)拆卸裝配，具有一定流動性，容易填補接觸表面的空隙，經(jīng)壓縮后其結(jié)合厚度可以變得相當(dāng)薄，可以很好地控制容積熱阻，這對降低熱阻有很大幫助。

對Flextein^? Grease 5030型導(dǎo)熱硅脂進行接觸熱阻的測試，其標(biāo)稱導(dǎo)熱系數(shù)為3Ｗ/(ｍ·Ｋ)，工程上其使用涂布厚度一般為0.02～0.05ｍｍ。經(jīng)測試，得到不同壓力條件下接觸熱阻的數(shù)值如圖５所示。從圖５可看出，當(dāng)壓力小于20psi時，接觸熱阻隨著壓力的升高而顯著降低，30psi后變化趨于平緩。

圖5 導(dǎo)熱硅脂的測試接觸熱阻數(shù)值與壓力的關(guān)系

2.2 導(dǎo)熱橡膠墊的實驗結(jié)果

導(dǎo)熱橡膠墊一般是由硅橡膠、導(dǎo)熱填料和承載料組成，填料成分主要是氧化鋁、氮化硼及金屬氧化物。導(dǎo)熱橡膠墊表面平整柔軟，能很好地貼合功率器件與散熱裝置。適用于器件與散熱表面之間有較大間隙需要填充，同時需要減振、防止沖擊、便于安裝和拆卸的工程應(yīng)用場景。

對Flextein^? S50型導(dǎo)熱橡膠墊進行接觸熱阻的測試，其標(biāo)稱導(dǎo)熱系數(shù)為5Ｗ/(ｍ·Ｋ)，測試了不同壓力條件下，不同厚度的導(dǎo)熱橡膠件接觸熱阻的數(shù)值，結(jié)果如圖６所示。從圖６可看出，厚度越大，壓力對接觸熱阻的影響則越顯著。當(dāng)壓力小于30psi時，接觸熱阻實驗數(shù)值隨壓力升高顯著降低，之后變化趨于平緩。

圖6 不同厚度的接觸熱阻實驗數(shù)值與壓力關(guān)系

實驗中也分別采用了Flextein^? S30?S50?S80 型厚度為1ｍｍ的導(dǎo)熱橡膠墊作為實驗對象，測試了不同壓力條件下導(dǎo)熱橡膠墊的接觸熱阻實驗數(shù)值。從圖7可看出，在同樣壓力下，導(dǎo)熱系數(shù)高的導(dǎo)熱墊其接觸熱阻實驗數(shù)值會越小，在30psi前，導(dǎo)熱系數(shù)越大的導(dǎo)熱墊，其接觸熱阻實驗數(shù)值隨壓力的升高，其降低的幅度會越大，同樣在30psi壓力后，接觸熱阻實驗數(shù)值變化幅度較為一致，說明再施加大的壓力已經(jīng)作用不明顯了。

圖7 不同熱導(dǎo)率導(dǎo)熱墊的接觸熱阻值與壓力關(guān)系

2.3 銦片的實驗結(jié)果

銦是一種低熔點合金，其延展性好，標(biāo)稱導(dǎo)熱率一般為82Ｗ/(ｍ·Ｋ)，在工程實踐上大多把它加工成極薄的銦片，厚度為0.1～0.3ｍｍ。當(dāng)銦達到相變溫度點時，其變?yōu)橐簯B(tài)填滿整個界面的空隙，此時整個固－固的界面接觸熱阻會大幅降低，從而可顯著改善界面?zhèn)鳠嵝阅堋?/span>

對厚度為0.25ｍｍ的TG800型銦片進行了接觸熱阻的測試，得到銦片的接觸熱阻數(shù)值與壓力的關(guān)系如圖８所示。從圖8可看出，0.25ｍｍ厚度的銦片實驗接觸熱阻測試數(shù)值，隨著壓力載荷變化近似呈現(xiàn)線性變化，在30psi壓力后的接觸熱阻實驗數(shù)值變化幅度緩慢。