不同界面材料在VPX板卡散热中的应用试验研究

唐文辉，李 南，吴 竞，李维忠

(中国船舶重工集团公司第七二四研究所，南京 211153)

0 引 言

电子设备元器件高集成度和大功率电子器件的应用使得电子设备功率密度和热流密度大幅度提高。大量热量集中产生，如果散热不良，局部温度过高，会导致电子设备性能下降甚至失效。目前，机柜中VPX板卡散热方式是采取强迫风冷的方式，而下一代VPX机箱将很可能采用液冷机箱。

液冷VPX机箱采用强迫液冷的方式将VPX板卡热量带走，其散热能力是强迫风冷方式的100倍以上[1]。为实现VPX板卡的快速可更换性，VPX板卡安装于导热冷板上，再将冷板插入液冷机箱，导热冷板通过锁紧条与液冷板紧密接触从而进行传热，其散热瓶颈之一就在于导热冷板与液冷板之间的接触传热。为了降低两板间接触热阻，减小VPX板卡上电子元器件与冷却液间传热温差，本文提出了在导热冷板与液冷板接触面间增加不同界面材料以减小接触热阻的设想，并设计了相关实验装置进行试验研究。

1 接触热阻理论

两固体接触面间产生的传热热阻称为接触热阻(TCR)。接触热阻计算公式为

R=ΔT/Q

其中，ΔT为两固体间温度差，接触热阻为ΔT和接触面上平均热流密度Q之比。对于接触热阻产生的机理，传统的观点认为由于两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%。未接触的界面之间间隙充满了导热系数极低的空气。在这些间隙内热量只能通过导热方式传递[2-3]。接触热阻产生机理示意图见图1。界面接触热阻取决于许多因素，包括两种材料的热物性、弹塑性、表面粗糙度、表面硬度、热流方向、界面所受正压力等[1]。

图1 接触热阻产生机理

按照传统单点接触热导及形变假设理论模型，接触热阻单点接触模型[4]：

(1)

(2)

式中，hi为单点的接触热导(TCC)，即接触热阻(TCR)倒数；a为接触点的接触半径；φ为接触热阻因子，为接触点的接触半径与曲率半径之比a/b的函数，φ的表达式随a/b的不同而变化；λ为导热系数。设总的接触点数为N，则总接触热阻为

在形变理论模型研究方面,则存在着弹性模型、塑性模型和弹塑性模型3种不同的模型[5]。

近年来，随着微/纳米尺度传热学、介观模拟方法、微米纳米测量技术的发展，出现了纳米结构、微尺度传热的新理论，且纳米结构材料的特征长度已接近于热载子平均自由程(mean free path, MFP)，传统的傅里叶定律已经不再适用。对接触热阻的研究也已经深入到介观、纳米尺度水平，如声失配(acoustic mismatch model, AMM)理论及SMAMM(scattering-mediated acoustic mismatch model)模型、散射失配理论(diffuse mismatch model, DMM)、PSPD(partially specula and partially diffuse model)模型、热波(thermal wave contrast)CV模型等，数值模拟方法如基于格子Boltzmann方法、晶格动力学方法和分子动力学方法(molecular dynamics, MD)等。不断的研究进一步揭示了接触热阻更深层次的传热机理[2]。

由于无法总结出通用的计算规律和经验公式，对于不同的接触界面通常使用试验的方法进行测定，一般分为稳态法和瞬态法。图2为美国国家标准ASTM D5470-06测试设备[6]。本文为研究不同界面材料对降低接触热阻的影响，对测试设备进行简化，并按照VPX板卡的安装方式设计了实验装置进行稳态传热性能测试，直接得到传热过程温差。通过稳态传热温差的比较得到在该安装方式下各界面材料对降低接触热阻的改善程度。

图2 接触热阻常用测试方法

2 实验装置

本文实验装置组成如图3所示。

在模拟VPX板卡上安装模拟热源即加热电阻，通过控制加在电阻上的电压使电阻产生所需的热量。实验装置主要有模拟液冷VPX机箱、液冷源、温度数据采集设备及传感器。模拟VPX板采用与VPX板卡相同的锁紧条固定[7]，与液冷板接触方式相同。液冷源供液温度设定为30 ℃，供液流量为55 L/h，冷却介质为去离子水。热源在模拟VPX板上的布局及测温点如图4所示。界面材料添加在模拟VPX板与液冷板的接触面之间。

图3 液冷VPX机箱散热实验装置组成

为尽量模拟真实的VPX热源发热情况，采用的是电阻加热片。在加热片与VPX冷板间增加一个均温块，材料为紫铜。在加热片上端采用隔热盖板防止加热片热量耗散到环境空气中，再采用螺钉将盖板压紧，均温块与模拟VPX板之间不添加界面填充材料。在模拟VPX冷板与液冷板接触面之间增加一层界面材料，如图5所示。

图4 模拟VPX冷板表面测温点

图5 传热途径截面

常见的减小接触热阻的界面材料可以分为几种[8]：导热脂及油、金属箔和金属丝网、低熔点合金、导热垫、表面镀层等。为研究不同界面材料对降低接触热阻的效果，在接触面之间更换不同界面填充材料，对比分析不同材料间降低接触热阻的能力。本实验中选择了以下常见填充材料，另外增加了新型导热材料石墨烯。各填充材料自身的特性参数见表1。

表1 不同界面填充材料特性参数

3 实验结果

本文以电阻加热片模拟VPX板卡热源，在模拟VPX冷板表面布置了10处热源。在VPX冷板与液冷板间填充不同界面材料的条件下，调节控制电阻加热片的发热量为200 W。在相同发热量下测量稳态时模拟VPX冷板表面最高温度及平均温度，结果见表2。以冷板表面最高温度及平均温度为依据，通过对表2数据分析可知，填充石墨烯材料后，VPX冷板表面最高温度与冷板平均温度均优于其他实验对象，其中冷板表面最高温度比导热硅脂低约5%,比无填充材料低15%，比铟片低18%，比导热衬垫低25%。

表2 不同界面填充材料下测试结果

从图4中可知，在整个传热途径中，接触热阻分为电阻加热片的均温块与模拟VPX冷板之间和模拟VPX冷板与液冷板之间两部分接触热阻。为避免电阻加热片更换界面材料带来的频繁拆装引起的误差，本实验中该部分接触面未填充界面材料，从而保证该部分接触热阻不变。在相同条件下，VPX冷板表面与冷却液之间的传热温差ΔT见表3。该结果显示在VPX冷板与液冷板之间增加石墨烯材料以后，传热温差为17 ℃～18 ℃，比没有界面填充材料时降低了约6 ℃～7 ℃，比导热衬垫降低了12 ℃以上。

表3 不同界面材料下测试结果

4 结束语

VPX冷板与液冷板接触面间的接触热阻是液冷VPX机箱传热瓶颈之一，特别是在散热量较大时会使传热温差增加。本文通过液冷VPX机箱实验装置模拟VPX板卡传热过程，通过对冷板表面温度和传热温差的检测，对比分析了石墨烯、导热硅脂、导热衬垫、铟片等不同界面填充材料和无界面材料对整个传热过程的改善程度。

试验结果显示，石墨烯具有良好的降低接触热阻能力，相比较传统无填充材料接触方式能够降低冷板表面最高温度约15%，传热温差降低约6～7 ℃，对VPX板卡散热具有明显的改善作用。在液冷VPX机箱的设计中，可以通过增加石墨烯材料进一步改善以及增加VPX板卡冷板的散热能力。