不同界面材料在VPX板卡散熱中的應(yīng)用試驗(yàn)研究

唐文輝，李 南，吳 競，李維忠

(中國船舶重工集團(tuán)公司第七二四研究所，南京 211153)

0 引 言

電子設(shè)備元器件高集成度和大功率電子器件的應(yīng)用使得電子設(shè)備功率密度和熱流密度大幅度提高。大量熱量集中產(chǎn)生，如果散熱不良，局部溫度過高，會導(dǎo)致電子設(shè)備性能下降甚至失效。目前，機(jī)柜中VPX板卡散熱方式是采取強(qiáng)迫風(fēng)冷的方式，而下一代VPX機(jī)箱將很可能采用液冷機(jī)箱。

液冷VPX機(jī)箱采用強(qiáng)迫液冷的方式將VPX板卡熱量帶走，其散熱能力是強(qiáng)迫風(fēng)冷方式的100倍以上[1]。為實(shí)現(xiàn)VPX板卡的快速可更換性，VPX板卡安裝于導(dǎo)熱冷板上，再將冷板插入液冷機(jī)箱，導(dǎo)熱冷板通過鎖緊條與液冷板緊密接觸從而進(jìn)行傳熱，其散熱瓶頸之一就在于導(dǎo)熱冷板與液冷板之間的接觸傳熱。為了降低兩板間接觸熱阻，減小VPX板卡上電子元器件與冷卻液間傳熱溫差，本文提出了在導(dǎo)熱冷板與液冷板接觸面間增加不同界面材料以減小接觸熱阻的設(shè)想，并設(shè)計(jì)了相關(guān)實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行試驗(yàn)研究。

1 接觸熱阻理論

兩固體接觸面間產(chǎn)生的傳熱熱阻稱為接觸熱阻(TCR)。接觸熱阻計(jì)算公式為

R=ΔT/Q

其中，ΔT為兩固體間溫度差，接觸熱阻為ΔT和接觸面上平均熱流密度Q之比。對于接觸熱阻產(chǎn)生的機(jī)理，傳統(tǒng)的觀點(diǎn)認(rèn)為由于兩接觸表面的實(shí)際接觸面積只占名義接觸面積的0.01%～0.1%，即使兩界面接觸壓力達(dá)到10 MPa，實(shí)際接觸面積也僅占名義接觸面積的1%～2%。未接觸的界面之間間隙充滿了導(dǎo)熱系數(shù)極低的空氣。在這些間隙內(nèi)熱量只能通過導(dǎo)熱方式傳遞[2-3]。接觸熱阻產(chǎn)生機(jī)理示意圖見圖1。界面接觸熱阻取決于許多因素，包括兩種材料的熱物性、彈塑性、表面粗糙度、表面硬度、熱流方向、界面所受正壓力等[1]。

圖1 接觸熱阻產(chǎn)生機(jī)理

按照傳統(tǒng)單點(diǎn)接觸熱導(dǎo)及形變假設(shè)理論模型，接觸熱阻單點(diǎn)接觸模型[4]：

(1)

(2)

式中，hi為單點(diǎn)的接觸熱導(dǎo)(TCC)，即接觸熱阻(TCR)倒數(shù)；a為接觸點(diǎn)的接觸半徑；φ為接觸熱阻因子，為接觸點(diǎn)的接觸半徑與曲率半徑之比a/b的函數(shù)，φ的表達(dá)式隨a/b的不同而變化；λ為導(dǎo)熱系數(shù)。設(shè)總的接觸點(diǎn)數(shù)為N，則總接觸熱阻為

在形變理論模型研究方面,則存在著彈性模型、塑性模型和彈塑性模型3種不同的模型[5]。

近年來，隨著微/納米尺度傳熱學(xué)、介觀模擬方法、微米納米測量技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了納米結(jié)構(gòu)、微尺度傳熱的新理論，且納米結(jié)構(gòu)材料的特征長度已接近于熱載子平均自由程(mean free path, MFP)，傳統(tǒng)的傅里葉定律已經(jīng)不再適用。對接觸熱阻的研究也已經(jīng)深入到介觀、納米尺度水平，如聲失配(acoustic mismatch model, AMM)理論及SMAMM(scattering-mediated acoustic mismatch model)模型、散射失配理論(diffuse mismatch model, DMM)、PSPD(partially specula and partially diffuse model)模型、熱波(thermal wave contrast)CV模型等，數(shù)值模擬方法如基于格子Boltzmann方法、晶格動力學(xué)方法和分子動力學(xué)方法(molecular dynamics, MD)等。不斷的研究進(jìn)一步揭示了接觸熱阻更深層次的傳熱機(jī)理[2]。

由于無法總結(jié)出通用的計(jì)算規(guī)律和經(jīng)驗(yàn)公式，對于不同的接觸界面通常使用試驗(yàn)的方法進(jìn)行測定，一般分為穩(wěn)態(tài)法和瞬態(tài)法。圖2為美國國家標(biāo)準(zhǔn)ASTM D5470-06測試設(shè)備[6]。本文為研究不同界面材料對降低接觸熱阻的影響，對測試設(shè)備進(jìn)行簡化，并按照VPX板卡的安裝方式設(shè)計(jì)了實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行穩(wěn)態(tài)傳熱性能測試，直接得到傳熱過程溫差。通過穩(wěn)態(tài)傳熱溫差的比較得到在該安裝方式下各界面材料對降低接觸熱阻的改善程度。

圖2 接觸熱阻常用測試方法

2 實(shí)驗(yàn)裝置

本文實(shí)驗(yàn)裝置組成如圖3所示。

在模擬VPX板卡上安裝模擬熱源即加熱電阻，通過控制加在電阻上的電壓使電阻產(chǎn)生所需的熱量。實(shí)驗(yàn)裝置主要有模擬液冷VPX機(jī)箱、液冷源、溫度數(shù)據(jù)采集設(shè)備及傳感器。模擬VPX板采用與VPX板卡相同的鎖緊條固定[7]，與液冷板接觸方式相同。液冷源供液溫度設(shè)定為30 ℃，供液流量為55 L/h，冷卻介質(zhì)為去離子水。熱源在模擬VPX板上的布局及測溫點(diǎn)如圖4所示。界面材料添加在模擬VPX板與液冷板的接觸面之間。

圖3 液冷VPX機(jī)箱散熱實(shí)驗(yàn)裝置組成

為盡量模擬真實(shí)的VPX熱源發(fā)熱情況，采用的是電阻加熱片。在加熱片與VPX冷板間增加一個均溫塊，材料為紫銅。在加熱片上端采用隔熱蓋板防止加熱片熱量耗散到環(huán)境空氣中，再采用螺釘將蓋板壓緊，均溫塊與模擬VPX板之間不添加界面填充材料。在模擬VPX冷板與液冷板接觸面之間增加一層界面材料，如圖5所示。

圖4 模擬VPX冷板表面測溫點(diǎn)

圖5 傳熱途徑截面

常見的減小接觸熱阻的界面材料可以分為幾種[8]：導(dǎo)熱脂及油、金屬箔和金屬絲網(wǎng)、低熔點(diǎn)合金、導(dǎo)熱墊、表面鍍層等。為研究不同界面材料對降低接觸熱阻的效果，在接觸面之間更換不同界面填充材料，對比分析不同材料間降低接觸熱阻的能力。本實(shí)驗(yàn)中選擇了以下常見填充材料，另外增加了新型導(dǎo)熱材料石墨烯。各填充材料自身的特性參數(shù)見表1。

表1 不同界面填充材料特性參數(shù)

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

本文以電阻加熱片模擬VPX板卡熱源，在模擬VPX冷板表面布置了10處熱源。在VPX冷板與液冷板間填充不同界面材料的條件下，調(diào)節(jié)控制電阻加熱片的發(fā)熱量為200 W。在相同發(fā)熱量下測量穩(wěn)態(tài)時模擬VPX冷板表面最高溫度及平均溫度，結(jié)果見表2。以冷板表面最高溫度及平均溫度為依據(jù)，通過對表2數(shù)據(jù)分析可知，填充石墨烯材料后，VPX冷板表面最高溫度與冷板平均溫度均優(yōu)于其他實(shí)驗(yàn)對象，其中冷板表面最高溫度比導(dǎo)熱硅脂低約5%,比無填充材料低15%，比銦片低18%，比導(dǎo)熱襯墊低25%。

表2 不同界面填充材料下測試結(jié)果

從圖4中可知，在整個傳熱途徑中，接觸熱阻分為電阻加熱片的均溫塊與模擬VPX冷板之間和模擬VPX冷板與液冷板之間兩部分接觸熱阻。為避免電阻加熱片更換界面材料帶來的頻繁拆裝引起的誤差，本實(shí)驗(yàn)中該部分接觸面未填充界面材料，從而保證該部分接觸熱阻不變。在相同條件下，VPX冷板表面與冷卻液之間的傳熱溫差ΔT見表3。該結(jié)果顯示在VPX冷板與液冷板之間增加石墨烯材料以后，傳熱溫差為17 ℃～18 ℃，比沒有界面填充材料時降低了約6 ℃～7 ℃，比導(dǎo)熱襯墊降低了12 ℃以上。

表3 不同界面材料下測試結(jié)果

4 結(jié)束語

VPX冷板與液冷板接觸面間的接觸熱阻是液冷VPX機(jī)箱傳熱瓶頸之一，特別是在散熱量較大時會使傳熱溫差增加。本文通過液冷VPX機(jī)箱實(shí)驗(yàn)裝置模擬VPX板卡傳熱過程，通過對冷板表面溫度和傳熱溫差的檢測，對比分析了石墨烯、導(dǎo)熱硅脂、導(dǎo)熱襯墊、銦片等不同界面填充材料和無界面材料對整個傳熱過程的改善程度。

試驗(yàn)結(jié)果顯示，石墨烯具有良好的降低接觸熱阻能力，相比較傳統(tǒng)無填充材料接觸方式能夠降低冷板表面最高溫度約15%，傳熱溫差降低約6～7 ℃，對VPX板卡散熱具有明顯的改善作用。在液冷VPX機(jī)箱的設(shè)計(jì)中，可以通過增加石墨烯材料進(jìn)一步改善以及增加VPX板卡冷板的散熱能力。