基于熱瞬態(tài)測試方法的楔形鎖緊條熱阻測試*

胡家渝，敬成君（1.西南電子技術(shù)研究所，成都610036；2.四川大學(xué)建筑與環(huán)境學(xué)院，成都610065）

基于熱瞬態(tài)測試方法的楔形鎖緊條熱阻測試*

胡家渝1，2，敬成君2*
（1.西南電子技術(shù)研究所，成都610036；2.四川大學(xué)建筑與環(huán)境學(xué)院，成都610065）

楔形鎖緊條是LRM模塊中重要的結(jié)構(gòu)件及傳熱部件。為了測量楔形鎖緊條的熱阻，通過使用熱瞬態(tài)測試方法，采用冷板測試夾具，利用T3ster熱測試儀結(jié)合其分析軟件，測量了一類鎖緊條在不同鎖緊力矩下的接觸熱阻；同時根據(jù)鎖緊條熱阻的串并聯(lián)關(guān)系，通過實(shí)驗(yàn)設(shè)置，使鎖緊條一側(cè)絕熱，從而分別測得了鎖緊條的兩個單側(cè)熱阻；實(shí)驗(yàn)表明模塊鎖緊條側(cè)的熱阻較大，其傳熱量只占總傳熱量的30%左右，所測鎖緊條在20 cNm～60 cNm的鎖緊力矩范圍內(nèi)，接觸熱阻數(shù)值變化范圍在0.44 K/W～0.33 K/W。實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果為仿真分析中準(zhǔn)確設(shè)定鎖緊條的熱阻的位置、大小提供了參考。

電子設(shè)備熱管理；熱阻；瞬態(tài)測試方法；楔形導(dǎo)軌

航空電子設(shè)備中采用LRM（Line Replacement module）模塊的越來越多。在LRM模塊中（如圖1所示），有4種基本的冷卻模式：傳導(dǎo)風(fēng)冷，傳導(dǎo)液冷及穿通風(fēng)冷穿通液冷。其中，如果使用穿通風(fēng)冷，模塊直接構(gòu)成風(fēng)道，對模塊的通用性有嚴(yán)重影響；如果使用穿通液冷，則存在快速自封閉盲插接頭的可靠性問題，在一定的插拔周期、機(jī)械環(huán)境應(yīng)力下，接頭可能出現(xiàn)漏液等問題。在實(shí)際工程中，大量使用的還是傳導(dǎo)風(fēng)冷或傳導(dǎo)液冷的模塊，而楔形鎖緊條作為其中的機(jī)械固定及熱傳導(dǎo)界面起到非常重要的作用，其熱阻的大小將直接關(guān)系芯片溫度的高低。

1　綜述

對于楔形鎖緊條熱阻的研究早已有之，文獻(xiàn)［1-2］使用穩(wěn)態(tài)測試方法，并采用電動控制力矩的辦法，對SEM-E模塊中使用的5 inch鎖緊條進(jìn)行了真空條件下、常壓條件下不同力矩、不同加熱功率、不同表面處理工藝下的熱阻測試。實(shí)驗(yàn)表明，相比導(dǎo)電氧化的狀態(tài)，在有空氣條件下，鍍鎳及鍍銀的鎖緊條對降低熱阻沒有明顯作用；而在真空條件下，鍍鎳的鎖緊條熱阻會增大300%，表面鍍銀的則可降低25%～30%左右的熱阻。在國內(nèi)［12-13］同樣采用穩(wěn)態(tài)測試方法對國內(nèi)某單位自行設(shè)計(jì)制造的一系列鎖緊條進(jìn)行了熱阻測試，測試結(jié)果表明，在相同鎖緊力矩下，鎖緊條長度越長接觸熱阻越大。

目前現(xiàn)有測試方法均基于穩(wěn)態(tài)測試方法，測試時間長，測試誤差因素多；另外，并沒有公開的測試數(shù)據(jù)支持廠商給出的鎖緊條的兩個主要接觸界面?zhèn)鳠崃康谋壤P(guān)系。而通常在設(shè)計(jì)過程中采用CFD對模塊、冷板構(gòu)成的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析時，通常不考慮鎖緊條側(cè)的熱阻，只是把熱阻統(tǒng)設(shè)定在模塊與冷板C型導(dǎo)軌的一側(cè)上，這樣可能導(dǎo)致與實(shí)際熱路的不一致。從而使得冷板的熱流密度偏高，因此是否應(yīng)該這樣設(shè)置值得商榷，需要用實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)一步明確。

圖1　航空電子設(shè)備中的LRM模塊及鎖緊條

熱阻測試的標(biāo)準(zhǔn)方法目前有用于測量界面接觸熱阻的ASTM5470標(biāo)準(zhǔn)［14］，但是該標(biāo)準(zhǔn)用于測量的是界面、界面接觸材料的接觸熱阻，而非用于測量楔形鎖緊條這樣的機(jī)械機(jī)構(gòu)的總傳遞熱阻。因此，該方法及其標(biāo)準(zhǔn)夾具并不適用于楔形鎖緊條的測量。另外，已有的關(guān)于鎖緊條熱阻的測試在文獻(xiàn)均采用了自行設(shè)計(jì)的夾具，通過穩(wěn)態(tài)測試獲得對應(yīng)界面的溫差來求取鎖緊條的總熱阻。典型的兩種方法如圖 2、圖 3所示［1-2，11-12］。其加熱的位置分布分別為模塊位置和導(dǎo)軌位置，其本質(zhì)都是通過構(gòu)建類似實(shí)際使用的狀態(tài)，通過絕熱措施，使得所產(chǎn)生熱量均通過楔形導(dǎo)軌界面進(jìn)行傳遞，待達(dá)到穩(wěn)態(tài)后測量界面附件溫度，再結(jié)合記錄的電加熱功率從而求取熱阻數(shù)值。

這些基于穩(wěn)態(tài)的測試的方法均存在如下幾個問題：

（1）其加熱面積均較大，導(dǎo)致可能漏熱的位置增加，從而導(dǎo)致計(jì)算熱阻采用的功率數(shù)值偏大，進(jìn)而使得實(shí)驗(yàn)結(jié)果偏小，且熱電偶測溫存在誤差也會導(dǎo)致熱阻測量結(jié)果的誤差；

（2）由于存在多的絕熱結(jié)構(gòu)，使得夾具設(shè)計(jì)的通用化程度低，整個實(shí)驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且通用性差，當(dāng)鎖緊條寬度、長度變化時就需要從新設(shè)計(jì)制造新夾具；

（3）由于采用穩(wěn)態(tài)測試方法，測試時間較長，且測試時間長度對測量結(jié)果有顯著影響。

圖2　文獻(xiàn)［1-2］中測量SEM-E模塊鎖緊條的裝置

圖3　文獻(xiàn)［12-13］中測量SEM-E模塊及鎖緊條的裝置

基于以上對現(xiàn)有測試設(shè)備及狀態(tài)的分析，有必要發(fā)展一種新的測試方法完成楔形鎖緊條的熱阻測量。這里將采用熱瞬態(tài)測試方法，其基本原理如圖4及式（1）所示。

熱瞬態(tài)方法將有利于消除測量誤差中由環(huán)境傳熱造成的測量誤差，適合對楔形鎖緊條這類結(jié)構(gòu)的熱阻測試。

圖4　瞬態(tài)測試基本原理

2　實(shí)驗(yàn)理論概述

所謂的熱瞬態(tài)測試方法是建立在半導(dǎo)體芯片結(jié)溫及結(jié)殼熱阻的測量基礎(chǔ)之上的。利用PN結(jié)的正向壓降隨溫度的線性關(guān)系來測量結(jié)溫。目前較成熟的儀器是美國Mentor的T3ster，主要用于芯片、LED等的封裝熱測試中，文獻(xiàn)對各類器件采用該方法進(jìn)行了熱阻測試［9～11］。其通過1MHz的采樣頻率，將結(jié)的壓降信號采集下來，同時，利用TPS系數(shù)獲得對應(yīng)的結(jié)溫，而后通過時域內(nèi)的數(shù)值微分、數(shù)值卷積反演獲得熱阻網(wǎng)絡(luò)的時間常數(shù)譜，然后通過變換將其變換為一個Foster網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，再變化為對應(yīng)的Cauer網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，即可讀出相應(yīng)位置的熱阻抗變化細(xì)節(jié)。具體過程簡單介紹如下：

在一維熱傳導(dǎo)路徑上，可將其看成若干個RC網(wǎng)絡(luò)串聯(lián)構(gòu)成的一個熱阻抗網(wǎng)絡(luò)。對于一個階躍輸入，單個的RC網(wǎng)絡(luò)的響應(yīng)為：

多個RC網(wǎng)絡(luò)串聯(lián)后的響應(yīng)為：

如果已知R及時間常數(shù)τ就知道了整個系統(tǒng)。當(dāng)n趨于無窮大時，上式可看成是一個積分：

在分布電路分析中將R（τ）稱為時間常數(shù)譜。由于在連續(xù)坐標(biāo)下，響應(yīng)的開始部分無法分辨，于是將相應(yīng)的時間軸換成對數(shù)坐標(biāo)系。令：

利用分步求導(dǎo)公式，并將上述變換帶入相應(yīng)的積分表達(dá)式有：上式是一個卷積形式的積分表達(dá)式，令：

則有：

即是：

通常在熱測試中，測量的往往是響應(yīng)a（z），于是R（z）可通過反卷積運(yùn)算求得：

以上過程便是T3ster進(jìn)行測量的物理依據(jù)。

通過反卷積運(yùn)算得到的R（z）按圖5方式離散化，形成Foster網(wǎng)絡(luò)，再通過變換，即可形成具有具體物理意義的Cauer網(wǎng)絡(luò)。形成所謂的結(jié)構(gòu)函數(shù)。

通過分析結(jié)構(gòu)函數(shù)上各峰值、分離點(diǎn)的位置、大小，根據(jù)其物理意義，即可得出對應(yīng)的熱阻大小，熱阻產(chǎn)生位置的主要信息，成為分析熱點(diǎn)外熱路上傳熱路徑的有力工具。

圖5　時間常數(shù)譜離散化及轉(zhuǎn)化Foster網(wǎng)絡(luò)、Cauer網(wǎng)絡(luò)的過程

3　實(shí)驗(yàn)方法及過程

鎖緊條的傳熱路徑及熱阻網(wǎng)絡(luò)圖如圖6所示，一般來講可忽略安裝端頭的熱阻，可認(rèn)為端頭熱阻無限大，而主要依靠C形槽導(dǎo)軌側(cè)特別是肋條側(cè)進(jìn)行導(dǎo)熱。

文獻(xiàn)［4-8］中指出了不同非線性測試邊界條件下對其測量結(jié)果的影響，測試了自然冷卻、雙液冷冷板、TEC控溫模塊3種邊界條件施加方式及其不同的加熱功率。通過研究其時間常數(shù)譜指出：加熱功率、熱邊界條件、環(huán)境溫度都可能對測試結(jié)果產(chǎn)生影響，其研究認(rèn)為在內(nèi)部熱路上的溫升受非線性因素較??；而采用TEC熱沉相對采用液冷冷板熱沉相對測試的非線性影響程度最低。

鑒于文獻(xiàn)的研究結(jié)論及目前實(shí)驗(yàn)條件，決定采用液冷冷板來進(jìn)行控溫，同時使用合適的加熱功率。實(shí)驗(yàn)的裝置圖如圖6所示，首先將在自由狀態(tài)下進(jìn)行一次測試以確定鎖緊力矩極小即自由狀態(tài)下，鎖緊條的熱阻。同時以此確定鎖緊條熱阻的分離點(diǎn)。然后，使用力矩起子調(diào)節(jié)楔形鎖緊條鎖緊力矩，測量芯片節(jié)溫在相同熱耗下的溫降曲線。最后通過Master軟件，結(jié)合自由狀態(tài)下的熱阻曲線，分析不同鎖緊力矩下的鎖緊條的接觸熱阻。

圖6　鎖緊條在機(jī)箱插槽中的安裝關(guān)系及熱阻網(wǎng)絡(luò)

為了考察鎖緊條側(cè)及肋條側(cè)的接觸熱阻比例關(guān)系，由于一般認(rèn)為鎖緊條側(cè)的接觸熱阻較之肋條側(cè)大，因此采用絕熱材料，玻璃纖維板，嵌入鎖緊條側(cè)和“C”形槽側(cè)交界面中，認(rèn)為此時僅有肋條側(cè)傳熱，得到一個鎖緊條接觸熱阻。同樣，改變不同鎖緊力矩進(jìn)行測量，得到一組熱阻數(shù)據(jù)。由于兩側(cè)熱阻是并聯(lián)關(guān)系，因此可通過兩個測量的兩組熱阻數(shù)據(jù)推導(dǎo)得出一組鎖緊條側(cè)的熱阻值數(shù)據(jù)，即可分析鎖緊條側(cè)熱阻值占總熱阻數(shù)值的比例關(guān)系。

所使用的熱源芯片為To-220封裝的場效應(yīng)管TFP2N60，所用的T3ster驅(qū)動電流為2 A，順向壓降為0.87 V，加熱功率為1.748W。每組的測試時間為30min，以保證達(dá)到溫度平衡，準(zhǔn)確記錄整個降溫過程，所有測試組中降溫幅度為8℃～12℃左右。測試實(shí)驗(yàn)狀態(tài)如圖7。

圖7　實(shí)驗(yàn)測試的各設(shè)備安裝配置圖

實(shí)驗(yàn)分別進(jìn)行了20 cN·m～60 cN·m的各5組測試，加上阻斷鎖緊條位置傳熱的測試5組測試、自由狀態(tài)下測試，共計(jì)11組測試，冷水機(jī)供液溫度保持為（23±0.1）℃。TO-220封裝外表面采用聚氨酯泡沫封閉絕熱，降低芯片殼體對空氣傳熱可能造成的非線性邊界誤差。

使用的力矩起子為日本東日（Tohnichi）公司的RTD120CN，量程范圍為20 cN·m～120 cN·m。精度為±3%。所用的冷水機(jī)為德國Julabo的FLC-1600，控溫精度±0.1℃。

4　實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

分離點(diǎn)選取及測量方法如圖8所示。實(shí)驗(yàn)的溫度變化都在10℃左右，通過自帶Master軟件，可比較明顯的分析出各傳熱幾何結(jié)構(gòu)的位置，通過分析自由狀態(tài)下和有冷板熱沉?xí)r的分離點(diǎn)位置，確定了楔形鎖緊條熱阻在結(jié)構(gòu)函數(shù)中的位置。通過在積分或微分形式結(jié)構(gòu)函數(shù)圖中，測量分離點(diǎn)到不同鎖緊力矩下到冷板環(huán)境熱沉的熱阻差值，即可獲得鎖緊條在對應(yīng)鎖緊力矩下的接觸熱阻。

圖8～圖10分別為單側(cè)接觸和雙側(cè)接觸鎖緊條的積分形式結(jié)構(gòu)函數(shù)。圖11為兩種狀態(tài)下的接觸熱阻隨鎖緊力矩的變化曲線，表1為其對應(yīng)的接觸熱阻值列表。

圖8　分離點(diǎn)選取及接觸熱阻在圖上的測量過程

圖9　雙側(cè)接觸下不同鎖緊力矩下的結(jié)構(gòu)函數(shù)

圖10　單側(cè)絕熱后不同鎖緊力矩下的結(jié)構(gòu)函數(shù)

圖11　兩種情況下不同鎖緊力矩下數(shù)值

表1　不同加載力矩下熱阻值

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，雙側(cè)接觸，即正常情況下鎖緊條的熱阻低于單側(cè)絕熱后的接觸的熱阻，這是因?yàn)槠鋬蓚?cè)熱阻是并聯(lián)關(guān)系，并聯(lián)熱阻顯然低于任意單側(cè)熱阻；隨鎖緊力矩的增加，鎖緊條的接觸熱阻逐漸減小，開始時，其減小幅度較大，在力矩從20 cN·m變化到40 cN·m時其熱阻數(shù)值可降低0.1 K/W左右，但是當(dāng)繼續(xù)增加鎖緊力矩時，如從40 cN·m變化到60 cN·m時，熱阻數(shù)值變化很小只有約0.03 K/W左右。這同文獻(xiàn)中的實(shí)驗(yàn)結(jié)果是一致的；在不同的鎖緊力矩變化下，當(dāng)人為將一側(cè)絕熱，鎖緊條僅單側(cè)與“C”形槽接觸時，熱阻的變化仍然符合上述特征，且通過串并聯(lián)關(guān)系反推所得的肋條側(cè)熱阻與鎖緊條側(cè)熱阻的比值幾乎都在0.3左右，則其熱流關(guān)系，即通過鎖緊條側(cè)的熱流應(yīng)占總熱流的30%左右，這也充分說明了一個問題，即在傳導(dǎo)型LRM模塊的地?zé)岱抡娣治鲋?，不能只采用將肋條的一側(cè)賦予熱阻值而另一側(cè)不接觸的方式。采用該方法進(jìn)行仿真分析，其結(jié)果必然導(dǎo)致與冷板接觸面的熱流密度增加，從而導(dǎo)致接觸界面的溫度升高，進(jìn)而使得仿真的結(jié)果偏高，特別是在模塊熱耗大的時候更是如此。本試驗(yàn)證明制造商說明書中的數(shù)據(jù)是有根據(jù)的，且在熱仿真分析中必須注意這個問題。

5　結(jié)語

通過試驗(yàn)研究表明如下結(jié)論：

（1）采用T3ster瞬態(tài)測試方法可測量楔形鎖緊條的接觸熱阻，且測試速度較之傳統(tǒng)的靜態(tài)測試方法速度更快，其他因素引起的測量誤差更小，可大大簡化傳感器安裝等測試準(zhǔn)備工作，提高了測試效率；

（2）所測鎖緊條在隨鎖緊力矩的增大，其熱阻值先減小較快，后減小速度變小，變化范圍在0.44 K/W～0.33 K/W之間，同時提示鎖緊條在實(shí)際安裝中不必采用過大的鎖緊力矩，這樣既無法進(jìn)一步減小熱阻又會給鎖緊條的機(jī)械強(qiáng)度造成潛在問題；

（3）通過人工增加單側(cè)絕熱的措施，測量了縮緊條兩個側(cè)面接觸熱組的大小，獲得了兩側(cè)接觸熱阻的比例關(guān)系，進(jìn)而可確定在實(shí)際工作中，兩側(cè)熱流量的分布大小，即肋條側(cè)熱流量約占總熱流量的70%左右，而鎖緊條側(cè)占總熱流量的30%左右，為熱仿真分析邊界條件設(shè)定提供了重要參考。

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胡家渝（1978-），男，重慶市人，高級工程師，博士研究生，研究方向?yàn)殡娮釉O(shè)備熱設(shè)計(jì)及暖通空調(diào)，hujy@stu.scu.edu.cn；

敬成君（1965-），男，工學(xué)博士（日本），四川大學(xué)教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)楣こ虩嵛锢?、建筑熱物理、功能晶體材料生長、非平衡熱動力學(xué)，chengjunjing@ 126.com。

Thermal Resistance Measurementof the Wedge Lock by Using the Method of Thermal Transit Test*

HU Jiayu1，2，JING Chengjun2*
（1.Southwestinstitution of electronic technology，Chengdu 610036，China；2.School of Architecture&Enυironment，Sichuan Uniυersity，Chengdu 6100651，China）

Wedge lock is themost important structure in line replacementmodule of the avionic electronic system. This paper concerned the thermal resistance of thewedge lock，the thermal resistance ofone kind of wedge lock was measured by thermal transitmethod and got the variance of thermal resistance under the different lock torques.The proportion of each side thermal resistance had also been investigated by insert insulator in one side of the wedge lock's contact surface.Themeasurement showed that the higher thermal resistance of the two side was thewedge lock contact surface and only 30%heat flow passed through this path，the variance of the thermal resistance from 0.44 K/W～0.33 K/Wunder the lock torque from 20 cNm～60 cNm.Themeasurement data gave the important reference about the thermal resistance distribution and the quantity in the thermal simulation setup.

thermalmanagement；thermal resistance；thermal transit testmethod；wedge lock

TN3-5.94

A

1005-9490（2016）04-0774-06

項(xiàng)目來源：國防基礎(chǔ)科研計(jì)劃項(xiàng)目（JCKY2013210B004）

2015-09-17修改日期：2015-10-20

EEACC:7320R；212010.3969/j.issn.1005-9490.2016.04.005