降低固-固界面接触热阻研究*

吕晓卫，冯展鹰，冯杏梅，金贵东

(南京电子技术研究所， 江苏 南京 210039)

降低固-固界面接触热阻研究*

吕晓卫，冯展鹰，冯杏梅，金贵东

(南京电子技术研究所， 江苏 南京 210039)

接触热阻是影响固-固界面之间传热的重要因素，文中研究了界面压力、接触面粗糙度、接触面平面度和在固-固界面添加导热介质等方式对固-固界面接触热阻的影响。研究显示在低压力水平和四角加压的方式下，降低接触面粗糙度和在接触面之间填充导热介质可以有效降低固-固界面的接触热阻。

固-固界面；接触热阻；粗糙度；填充介质

引 言

随着集成电路技术的不断发展，微电子元器件的组装密度迅速提高，使得组件和设备的热流密度也迅速增加，特别在体积、重量受到严格限制的电子设备中表现尤为突出。目前，在部分电子设备中，高功率器件的功率密度已达数十瓦每平方厘米，在这种情况下，为了使组件和设备能按预定的参数正常可靠地工作，必须对发热器件进行有效的热设计和热控制[1-3]。

目前，电子设备的冷却措施主要有自然冷却、风冷和液冷三种方式[2]。对于液冷冷却来说，需要将发热模块和液冷模块通过焊接或机械连接的方式组合在一起，或者将发热模块和液冷模块设计成一体结构[4-5]。对于将发热模块和液冷模块做成一体或焊接在一起的方式，模块之间无接触界面，故不存在接触热阻，散热效率很高。但是一体化设计或将发热模块和液冷模块焊接在一起的方式会大大增加设计难度和制造难度，因此仍有较多的电子设备其发热模块和液冷模块是通过机械方式固定在一起。在这种条件下，发热模块和液冷模块之间存在接触热阻，会大大降低二者之间的传热效率，影响发热模块的散热。为此，本研究拟针对固-固界面的接触热阻进行研究，分析固-固界面压力、接触面粗糙度、接触面平面度和在固-固界面添加导热介质等方式对接触热阻的影响，以期找到一种能够有效降低固-固界面接触热阻的方法。

1 试 验

试验系统如图1所示，主要由发热体、铝硅板材、液冷冷板和温度采集系统组成。其中发热体为铝壳电阻(型号RX24，尺寸29 mm × 11 mm × 10 mm)，通电后产生热量，模拟发热器件。铝硅板材为哈尔滨工业大学提供的含Si 量50 vol%的铝硅复合材料，尺寸70 mm × 140 mm × 2 mm。冷板材料为6063铝合金，大小为70 mm × 140 mm，冷板中间有空腔，可以通冷却液。冷板中冷却液选用去离子水，供液温度15.3 ℃。温度采集系统由高灵敏度K型热电偶(直径0.6 mm)、NI9211数据采集模块及温度记录软件Labview组成。试验所用填充材料为铟箔，尺寸70mm×70mm× 0.3 mm。

图1 试验系统示意图

实验前将发热体表面镀镍镀锡，使用低温铟锡焊料将发热体焊接于铝硅板材中部，然后将焊接有发热体的铝硅板材放置于液冷冷板上，在四角加压固定(如图2所示)。然后将热电偶测温端用铜箔胶带固定于发热体顶部、铝硅板材上距离发热体10 mm处以及冷板出水口处，用以测量发热体表面、铝硅板材和冷却液的温度。实验过程中，为了保证采集的温度数据的准确性，在发热体发热2 h后方进行数据采集，以保证试验系统和周围环境达到热平衡，减小环境温度对试验系统的影响。

图2 发热体焊接位置和施压位置示意图

试验系统建立以后，设定发热体的发热功率为50 kW，冷却水流量0.36 L/min。在这一条件下，根据4因子2水平的全因子实验设计(各影响因素的水平如表1所示)，测定了不同压力、平面度、粗糙度和填充介质下，发热体、铝硅板材以及出水口冷却水的温度。

表1 不同影响因素的水平

2 结果与讨论

测温结果如表2所示。 根据实验结果可知，冷却水温度在实验过程中变化浮动不到1 ℃左右，实验误差对其影响较大，因此，选择发热体表面和铝硅板材表面的温度作为研究对象，使用minitab软件对各因素的主效应和交互作用进行了分析。

表2 不同条件下的实验结果

2.1各因素主效应分析

通过minitab计算了各因素对发热体表面温度和铝硅板材表面温度的影响的主效应图，如图3所示。可以看出，发热体表面温度和铝硅板材表面温度随各因素的变化规律基本一致。因此后续分析均以发热体表面温度为主，评估各因素对接触热阻的影响。

图3 不同影响因素的主效应图

计算了各因素能够使发热体表面温度降低的平均值，如表3所示。从图3和表3可以看出，在试验确定的条件下，对于发热体来说，铝硅板材的粗糙度由1.3 μm减低到0.3 μm可以使发热体表面温度平均降低约11 ℃，添加铟箔可以使发热体表面温度平均降低约6 ℃。这说明粗糙度和填充物能够有效降低发热体表面温度，而平面度和压力对发热体温度的影响较小。由此可以看出，降低粗糙度和添加导热介质能够有效降低固-固界面的接触热阻，而平面度和压力则影响较小。

表3 各因素使发热体表面温度降低的平均值

固体表面在微观上是凹凸不平的，固-固接触表面的实际接触面积只占名义接触面积的0.01%～0.1%，即使两界面接触压力达到10 MPa，实际接触面积也仅占名义接触面积的1%～2%，这种接触状况引起热流的收缩，从而产生接触热阻[5-7]。粗糙度是衡量固体表面微观起伏程度的物理量。粗糙度降低，意味着铝硅板材表面微观起伏程度降低，在其他条件相同的情况下可以有效增大实际接触面积，提高铝硅板材和冷板之间的传热效率，从而降低接触面之间的接触热阻。

实验所用填充物为铟箔，铟的硬度较低，在压力作用下很容易变形，可以填充铝硅板材和冷板之间的宏观间隙。一方面铟箔将界面宏观间隙之间原来的导热率较差的空气替换为导热率较好的金属；另一方面，铟箔受到挤压变形后，会增大界面之间的接触面积，从而提高二者之间的传热效率。因此在铝硅板材和冷板之间添加导热介质可以有效降低二者之间的接触热阻。

平面度是衡量物体表面宏观起伏程度的物理量。平面度降低可以减小冷板和铝硅板材之间的宏观间隙，使得界面之间宏观间隙中的空气层变薄，提高传热效率，但间隙依然存在，接触面的实际接触面积并没有明显增加。因此降低平面度虽然可以在一定程度上降低接触面之间的接触热阻，但效果不明显。

实验过程中，压力是通过铝硅板材的四角施加的，通过计算机模拟的方式，计算了0.5 MPa四角加压情况下铝硅板材上的压强分布，如图4所示。从图中可以看出，四角施加的压力随着距离施力位置的距离的增加，迅速衰减，无法传递到中间，因此压力变化对接触热阻的影响较小。

图4 四角加压情况下，铝硅板材上的压力分布

2.2各因素之间的相互作用

压力、粗糙度、平面度和填充物之间还有一定的相互作用，通过minitab分析了各因素之间的相互作用，可以看到，除了填充物和平面度以及压力之间的相互作用较强以外，其他影响因素之间的相互作用均较弱。

为了更清晰地分析填充物和平面度以及压力之间的相互作用，进行了定量计算，具体数值如表4所示。

表4 填充物和平面度以及压力之间的相互作用℃

各影响因素的相互作用如图5所示。

图5 各影响因素的相互作用图

可以看出，添加填充物后，当铝硅板材的平面度从0.08 mm降低到0.02 mm时，平面度变化能够引起的发热体表面温度降低由3.04 ℃下降到了0.83 ℃。这表明有填充物的情况下，平面度的影响将会减弱。平面度主要影响铝硅板材和冷板之间的宏观间隙，铟箔硬度低，易变形，因此铟箔的加入可以很容易地填补宏观间隙，使得平面度的影响减弱。

添加填充物后，当压力由0.1 MPa增加到0.3 MPa时，发热体表面温度由原来的下降0.99 ℃变为升高0.98 ℃。为了研究这一变化产生的原因，通过模拟方式研究了底部添加0.3 mm铟箔后铝硅板材的压强分布(图6)。可以看出，添加铟箔后，由于铟箔的面积(70 mm × 70 mm)小于铝硅板材的面积(70 mm × 140 mm)，导致压强分布发生了较大的变化。铝硅板材上，铟箔顶端所处位置发生了应力集中，压强较高，同时铝硅板材部分区域发生了翘曲，导致压力方向发生变化。这意味着随着压力的增大，铟箔和铝硅板材之间的贴合度降低，最终导致发热体表面温度反而升高。

图6 铝硅板材底部添加铟箔后的压强分布图

3结束语

1)在较小的压力状态及四角加压的情况下，降低接触面粗糙度和在固-固界面之间填充导热介质可以有效降低固-固界面的接触热阻，提高散热效率；与此同时，界面压力和平面度对固-固界面的接触热阻影响不大。

2)在界面压力、接触面粗糙度、平面度和填充介质这4个影响界面接触热阻的因素中，填充介质和界面压力以及平面度之间有较强的相互作用，其他因素之间的相互作用可以忽略。

[1] 杨冬梅, 徐德好. 液冷冷板的研究[J]. 电子机械工程, 2006, 22(1): 4-6.

[2] 邱成悌, 赵惇殳, 蒋全兴. 电子设备结构设计原理[M]. 南京: 东南大学出版社, 2005.

[3] 权正宁, 白宏兵. 机载电子设备液冷冷板焊接技术研究[J]. 热加工工艺, 2013, 42(15): 224-225.

[4] 余建祖, 谢永奇. 电子设备热设计及分析技术[M]. 北京：北京航空航天大学出版社, 2008．

[5] 赵仁祥. 高效散热微通道液冷冷板焊接技术及成形工艺研究[J]. 电子机械工程, 2008, 24(4): 33-36.

[6] 张平, 宣益民, 李强. 界面接触热阻的研究进展[J]. 化工学报, 2012, 63(2): 335-349.

[7] LAMBERT M A, FLETCHER L S. Thermal contact conductance of spherical rough metals[J]. Journal of Heat Transfer, 1997, 119(4): 684-690.

[8] BAHRAMI M. Modeling of Thermal Joint Resistance for Sphere-flat Contacts in a Vacuum[D]．Waterloo: University of Waterloo，2004.

吕晓卫(1982-)，男，工程师，主要从事电子束焊接、液冷散热的研究。

欢迎投稿、刊登广告E-mail：dzjxgc@126.com电话：(025)51821078

ResearchonReducingtheThermalContactResistancebetweenSolid-SolidInterface

LVXiao-wei，FENGZhan-ying，FENGXing-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