散熱模組CPU接觸面平面度測(cè)量

柳笠

（蘇州大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，江蘇 蘇州 215300）

散熱模組CPU接觸面平面度測(cè)量

柳笠

（蘇州大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，江蘇 蘇州 215300）

風(fēng)冷散熱是最常見(jiàn)的CPU散熱方式，它的工作原理是CPU散熱片與CPU表面直接接觸，CPU表面的熱量通過(guò)熱傳導(dǎo)傳遞給CPU散熱片，散熱風(fēng)扇產(chǎn)生氣流，通過(guò)熱對(duì)流將CPU散熱片表面的熱量帶走。散熱器與cpu的接觸面越平整則吸收cpu的熱量越充分，散熱性能也越好。本課題主要內(nèi)容為設(shè)計(jì)一個(gè)通用型的機(jī)臺(tái)，通過(guò)非接觸式的紅外測(cè)距來(lái)間接計(jì)算出散熱器表面的平整度，并將測(cè)試結(jié)果保存入數(shù)據(jù)庫(kù)。

散熱模組；平面度；激光測(cè)距

風(fēng)冷散熱在散熱器中比較常見(jiàn)，一般現(xiàn)在的筆記本、臺(tái)式機(jī)及服務(wù)器都采用風(fēng)冷，不過(guò)這三個(gè)風(fēng)冷在外觀上又有些區(qū)別。筆記本主要是靠熱管的毛細(xì)效應(yīng)傳輸熱量，進(jìn)而將熱量通過(guò)風(fēng)扇散發(fā)到空氣中；臺(tái)式機(jī)靠金屬接觸傳熱，風(fēng)扇直接放在散熱器上散熱；而服務(wù)器由于熱量大，為了增加與空氣的接觸面積，散熱模組也大，一般都會(huì)裝多個(gè)風(fēng)扇來(lái)增強(qiáng)空氣的流通性。

本文主要測(cè)量的就是用于服務(wù)器的散熱模組。 在散熱過(guò)程中為了保證CPU和散熱器最大面積的接觸，降低熱阻值，使熱量快速通過(guò)金屬傳導(dǎo)到散熱肺片上，因此在研發(fā)生產(chǎn)散熱器時(shí)，保證散熱器與CPU接觸面的表面平整度就顯得非常重要。平面度是幾何誤差的基本項(xiàng)目之一，確定工件的平面度誤差對(duì)判定其合格性和改善其加工質(zhì)量都有重要的指導(dǎo)意義。我國(guó)平面度誤差檢測(cè)方面，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)給出對(duì)平面度誤差的定義是：實(shí)際平面對(duì)其理想平面的變動(dòng)量，其中理想平面的位置需符合最小條件。在測(cè)量時(shí)按照一定的布點(diǎn)方式虛擬出一個(gè)擬合平面，通過(guò)比較擬合平面與實(shí)際平面來(lái)評(píng)定平面度。由于平面度誤差的定義中，并沒(méi)有確定符合最小條件的平面測(cè)量工具，所以平面度誤差值無(wú)法通過(guò)測(cè)量工具直接測(cè)得，它只能通過(guò)平面上點(diǎn)的測(cè)量和平面度誤差評(píng)定兩個(gè)部分間接地計(jì)算出來(lái)。

1 平面測(cè)量方案

對(duì)于傳統(tǒng)的平面測(cè)量方法，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中根據(jù)測(cè)量原理和器具，分別提供了干涉法、指示器法、光軸法等直接測(cè)量方法，跨步儀法、表橋法、自準(zhǔn)直儀法等間接測(cè)量方法和反向消差法等組合測(cè)量法。由于這些傳統(tǒng)的測(cè)量方法多是基于手動(dòng)測(cè)量設(shè)備和人工計(jì)算，其測(cè)量的精度和速度越來(lái)越難以滿足現(xiàn)今高人力成本的制造業(yè)的檢測(cè)要求，隨著光電、測(cè)量和自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了接觸式、非接觸式、CCD攝像式等多種現(xiàn)代平面在線測(cè)量技術(shù)。

2 平面度誤差評(píng)定算法

平面度誤差是判斷平面加工設(shè)備優(yōu)劣的一個(gè)非常重要的指標(biāo)。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)提供了對(duì)角線法、最小區(qū)域法、三遠(yuǎn)點(diǎn)法和最小二乘法等平面度誤差評(píng)定算法，我們需要根據(jù)不同的現(xiàn)場(chǎng)情況選擇適合自己的最高效、最精確的算法。

3 測(cè)試機(jī)臺(tái)的制作

現(xiàn)在市面上測(cè)量平面度較多的設(shè)備是三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x，采用接觸式測(cè)量，但是在測(cè)量產(chǎn)品較多時(shí)無(wú)法預(yù)估接觸點(diǎn)磨損的狀況，需要頻繁的校驗(yàn)設(shè)備。因此本次選用紅外激光測(cè)距，將紅外激光傳感器固定在一個(gè)XY軸滑軌上（滑軌的精度必須非常高，誤差在0．01mm以內(nèi)），xy軸上各接一個(gè)步進(jìn)電機(jī)，由PLC控制激光傳感器的位置，測(cè)量傳感器與散熱模組表面的距離并傳回上位機(jī)程序中（如圖1）。上位機(jī)采用合適的平面度計(jì)算方法，通過(guò)測(cè)得的距離數(shù)據(jù)，來(lái)間接計(jì)算出散熱模組的平面度并將數(shù)據(jù)保存在本地?cái)?shù)據(jù)庫(kù)中。

圖1 測(cè)試機(jī)臺(tái)內(nèi)部

4 測(cè)量步驟

（1）在數(shù)據(jù)庫(kù)中新建一個(gè)機(jī)種，除名字之外還需要輸入激光測(cè)距儀在XY兩軸運(yùn)動(dòng)的距離。（2）控制步進(jìn)電機(jī)使測(cè)距儀走U型軌跡跑完整個(gè)區(qū)域，并在等距離的位置記錄一次與測(cè)試平面的距離。（3）跑完整個(gè)區(qū)域后，對(duì)數(shù)據(jù)做處理并計(jì)算得出最終的平面度數(shù)值。（4）將數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫(kù)。

5 數(shù)據(jù)處理

本次測(cè)試選取如下一個(gè)散熱模組（圖2），在銅面上一個(gè)30×30mm區(qū)域內(nèi)等距離取16個(gè)點(diǎn)。測(cè)量激光測(cè)試儀到這16個(gè)點(diǎn)的距離。

圖2 散熱模組

測(cè)量16個(gè)點(diǎn)的原始數(shù)據(jù)如表1，單位mm。

表1

產(chǎn)品底部外圈和放置產(chǎn)品平臺(tái)精度并不是非常高，產(chǎn)品放在測(cè)試平臺(tái)上，必然會(huì)和激光測(cè)距儀的運(yùn)動(dòng)平面存在一定的傾斜，因此需要對(duì)原始數(shù)據(jù)做一些處理。數(shù)據(jù)處理過(guò)程：（1）將第一列與第四列數(shù)據(jù)的平均值作比較，以銅面中間為軸，對(duì)平面的傾斜做矯正。第一次處理后的數(shù)據(jù)如表2。（2）將第一行與第四行數(shù)據(jù)的平均值作比較，以銅面中間為軸，對(duì)平面的傾斜做矯正。第二次處理后的數(shù)據(jù)如表3。（3）計(jì)算所有數(shù)據(jù)的平均值，取平均值與16個(gè)數(shù)據(jù)中絕對(duì)值最大的數(shù)值，最后結(jié)果為0．07mm。

表2

表3

6 測(cè)量過(guò)程中遇到的問(wèn)題

（1）激光測(cè)距采用非接觸式測(cè)量，相比傳統(tǒng)接觸式測(cè)量有著不可比擬的優(yōu)勢(shì)，但是它也有因此帶來(lái)的缺陷。激光測(cè)量是往目標(biāo)物體發(fā)射一束光束，光通過(guò)漫發(fā)射回到測(cè)距儀的檢測(cè)點(diǎn)，運(yùn)用勾股定理計(jì)算出目標(biāo)的距離。其中很關(guān)鍵的一點(diǎn)就是漫反射，如果被測(cè)物體的發(fā)射能力很強(qiáng)，屬于鏡面反射，那么激光測(cè)量的能力就大打折扣。不同生產(chǎn)廠家制作的產(chǎn)品對(duì)這一點(diǎn)的處理能力有所差距，在測(cè)量時(shí)采用一些方法減少影響（比如將測(cè)試儀傾斜5度左右），但在本質(zhì)上測(cè)量的原理還是一樣，所以都無(wú)法避免這一問(wèn)題。

（2）激光測(cè)試儀測(cè)量時(shí)需要保證測(cè)試儀在靜止?fàn)顟B(tài)，在上文中提到測(cè)距的原理是通過(guò)漫反射然后運(yùn)用勾股定理計(jì)算距離，因此在測(cè)量時(shí)，理論上要與被測(cè)物體保持靜止。而且在運(yùn)動(dòng)中為了防止設(shè)備抖動(dòng)，運(yùn)動(dòng)速度也不宜太快，這就導(dǎo)致測(cè)量16個(gè)點(diǎn)的時(shí)間大大增加。對(duì)于產(chǎn)品的測(cè)量成本也就增加了不少。

7 結(jié)語(yǔ)

將多次的測(cè)量結(jié)果與市面上其它三坐標(biāo)測(cè)試儀作比較，結(jié)果很理想。對(duì)比三坐標(biāo)測(cè)試儀，此設(shè)備測(cè)試速度快，自動(dòng)化程度高，對(duì)于大部分測(cè)試生產(chǎn)方面設(shè)備開(kāi)發(fā)具有一定的研究?jī)r(jià)值。

[1]胡志鵬,張洪濤．CPU散熱器現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)[J]．江西藍(lán)天學(xué)院學(xué)報(bào),2009,4(4): 28-29．

[2]唐金沙,李艷紅,黃偉,馬雯波,劉吉普．CPU 風(fēng)冷散熱器散熱性能的實(shí)驗(yàn)測(cè)試[J]．現(xiàn)代電子技術(shù),2009,12(299):115．

TP368.32

A

1671-0711（2017）08（下）-0220-02