不同泡沫銅連接方式下相變溫控組件接觸熱阻試驗研究

蘇 欣，胡家渝，李俞先

(西南電子技術(shù)研究所，四川 成都 610036)

0 引言

隨著現(xiàn)代電子產(chǎn)品的集成化程度越來越高，對電子產(chǎn)品的溫控提出了越來越高的需求。相變溫控技術(shù)是一種被動散熱技術(shù)，利用相變材料在相變過程中吸收或釋放大量熱量的性質(zhì)實現(xiàn)溫控作用[1]。目前，相變溫控組件中主要采用在有機(jī)類相變材料中復(fù)合泡沫銅的方式[2-3]，但是泡沫銅與相變溫控組件腔體之間多采用直接接觸方式，這種方式容易在泡沫銅與腔體之間產(chǎn)生間隙，因此改進(jìn)的方式是采用焊接或者黏接的方式將泡沫銅與腔體連接成一體，從而減小泡沫銅與腔體之間的接觸熱阻。現(xiàn)有的理論和試驗?zāi)軌驅(qū)?固接觸界面的接觸熱阻進(jìn)行大量分析[4-7]，而泡沫銅表面為三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，其與相變溫控組件腔體的接觸特性與固-固接觸存在較大不同。

因此，本文通過對相變溫控組件內(nèi)部傳熱路徑的分析，搭建了接觸熱阻試驗平臺,并對不同孔徑泡沫銅與相變溫控組件腔體之間的接觸熱阻進(jìn)行試驗研究，分析并計算了不同孔徑、不同連接方式下泡沫銅與相變溫控組件腔體之間的等效熱阻和等效熱導(dǎo)率，從而判斷不同連接方式對泡沫銅與腔體之間接觸熱阻的影響，為相變溫控組件的制造提供了參考依據(jù)。

1 熱路徑分析

當(dāng)相變溫控組件受到外界熱源作用時，熱流在相變溫控組件內(nèi)部的傳遞路徑如圖1所示。要使熱流傳遞到相變溫控組件內(nèi)部的相變材料中，熱流在相變溫控組件中共有3條傳遞路徑：一是通過腔體底部直接傳遞至內(nèi)部的泡沫銅，并傳遞至相變材料內(nèi)部，該路徑最短；二是通過腔體側(cè)壁傳遞至內(nèi)部的泡沫銅上，并傳遞至相變材料內(nèi)部；三是通過腔體側(cè)壁傳遞至蓋板上，再由蓋板傳遞至泡沫銅上，最后傳遞至相變材料上，該條路徑最長。

圖1 相變溫控組件傳熱路徑

在最短路徑上的熱阻分布如圖2所示。該路徑上的熱阻主要分為蓋板、泡沫銅、腔體各自的材料熱阻，以及蓋板和腔體分別與泡沫銅之間的接觸熱阻。要想精確測量各部分的接觸熱阻是不可能的，而在相變溫控組件內(nèi)部各材料的熱阻是一定的，蓋板與泡沫銅之間多為直接接觸方式，其接觸熱阻可認(rèn)為是一致的。因此，相變溫控組件內(nèi)部總體等效熱阻的變化，直接反映了腔體與泡沫銅之間不同連接方式所引起的接觸熱阻的變化，這樣增強(qiáng)了測試的可操作性，方便準(zhǔn)確地布置測點(diǎn)和獲得測試數(shù)據(jù)。

圖2 相變溫控組件內(nèi)部最短路徑熱阻分布

2 試驗設(shè)計

參照美國國家標(biāo)準(zhǔn)ASTM5470D-06，本試驗構(gòu)建了熱阻測試平臺，該平臺主要包括加熱、冷卻、壓力加載和控制等部分，如圖3所示。

圖3 熱阻測試原理及實物

加熱部分作為一維傳熱的載體，用于計算熱流量，冷卻部分用于連接熱沉部分和測試樣件，2部分的直徑均為52 mm。熱沉部分用于連接外部液冷源，向測試平臺提供25 ℃的冷水，保證冷卻部分一側(cè)溫度長期固定在25 ℃。以上幾部分均采用無氧銅進(jìn)行制造。試驗過程中在加熱部分的上部布置模擬熱源，并始終施加1 N·m的恒定力矩。試驗過程中，在距離熱源界面40 mm處沿周向均布4個熱電偶，分別標(biāo)號為101～104；同時在加熱部分、冷卻部分與測試樣件接觸面處沿周向均布用4個熱電偶，分別標(biāo)號為105～108、109～112；在液冷源上部40 mm處水平沿周向均布4個熱電偶，分別標(biāo)號為113～116，用于計算可能的漏熱量。當(dāng)系統(tǒng)的溫度趨于穩(wěn)定時，將各層測溫點(diǎn)的平均值分別作為各層的平均溫度t1(101～104的平均值)、t2(105～108的平均值)、t3(109～112的平均值)、t4(113～116的平均值)。液冷部分一側(cè)出口位置使用1臺玻璃轉(zhuǎn)子流量計，用于計量從冷板帶走的熱量。試驗過程中整個裝置使用絕熱材料包覆，以排除外界環(huán)境的影響。

本試驗主要針對不同孔徑不同連接方式的相變溫控組件模擬件進(jìn)行試驗，泡沫銅孔徑分別為PPI20(大孔徑)和PPI40(小孔徑)，孔徑均為98%，厚度為9 mm，上下腔體采用6061鋁合金材料，厚度均為1 mm，分別模擬相變溫控組件內(nèi)部的蓋板與腔體。泡沫銅與上腔體均直接接觸(不做任何處理)。泡沫銅與下腔體的連接方式分別為直接接觸、采用導(dǎo)熱膠黏接、采用厚0.03 mm的錫鉛焊片焊接，各試驗件的狀態(tài)如表1所示，外觀如圖4所示。在試驗過程中，除下腔體與泡沫銅之間由于不同處理方式引起的接觸熱阻之外，樣件的材料熱阻和其余各部分接觸熱阻均認(rèn)為是相同的。

照熱傳導(dǎo)定理，并參考ASTM5470D-06標(biāo)準(zhǔn)，本文測出的相變溫控組件樣件的等效熱導(dǎo)率和等效熱阻的計算公式為：

表1 試驗件狀態(tài)

圖4 試驗樣件外觀

(1)

(2)

λ為測試樣件的等效熱導(dǎo)率；R為測試樣件的等效熱阻；H為測試樣件的高度；t1、t2、t3、t4分別為各測溫層的平均溫度；L0為加熱塊/冷卻塊中測溫層之間的距離；λ0為銅的等效熱導(dǎo)率。

3 試驗結(jié)果分析

按照上述測試方法，分別對不同孔徑不同連接方式的相變溫控組件樣件進(jìn)行測試，并將各層測溫點(diǎn)的平均值分別作為各層的平均溫度t1(101～104的平均值)、t2(105～108的平均值)、t3(109～112的平均值)、t4(113～116的平均值)，具體結(jié)果如表2所示。

表2 測溫點(diǎn)的平均值

進(jìn)而對等效熱導(dǎo)率和接觸熱阻進(jìn)行計算，結(jié)果如表3所示。

表3 等效熱導(dǎo)率/接觸熱阻對比表

由表3中數(shù)據(jù)可以知道：

a.泡沫銅為小孔徑樣件的等效熱導(dǎo)率均大于大孔徑樣件，對應(yīng)的等效熱阻均小于大孔徑樣件。表明采用焊接或黏接方式能夠有效提升高泡沫銅與腔體的等效熱導(dǎo)率，從而降低了骨架與腔體之間的接觸熱阻，實現(xiàn)了高泡沫銅與腔體之間的低熱阻連接。

b.對小孔徑泡沫銅樣件，等效熱導(dǎo)率從大至小的排序為焊接方式、黏接方式、直接接觸方式，對應(yīng)的等效熱阻按從小至大的方式排列，表明泡沫銅為小孔徑時，采用焊接方式的接觸熱阻小于采用黏接方式，采用焊接方式的傳熱效果更優(yōu)。

c.對大孔徑泡沫銅樣件，等效熱導(dǎo)率從大至小的排序為黏接方式、焊接方式、直接接觸方式，對應(yīng)的等效熱阻按從小至大的方式排列，但采用焊接方式和黏接方式的等效熱阻基本一致。表明泡沫銅為大孔徑時，采用黏接方式和采用焊接方式的接觸熱阻基本相同，兩者的傳熱效果基本一樣。

4 結(jié)束語

對不同泡沫銅連接方式下的相變溫控組件的接觸熱阻進(jìn)行了試驗研究，通過試驗可以看出：

a.對于2種不同孔隙的泡沫銅與相變溫控組件腔體測試樣件，采用焊接或黏接方式能夠有效提升相變溫控組件樣件的等效熱導(dǎo)率，降低等效熱阻。

b.不同孔徑、不同處理方式的泡沫銅與相變溫控組件腔體樣件的等效熱導(dǎo)率和等效熱阻有所區(qū)別。泡沫銅孔徑較小時，采用焊接方式的傳熱效果好于采用黏接方式，泡沫銅孔徑較大時，兩者的傳熱效果基本一致。