3種常用熱界面材料的接觸熱阻壓力實(shí)驗(yàn)研究

謝明君， 張 平， 蔡 萌， 邊燕飛

(1.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司 第五十四研究所，石家莊 050081；2.桂林電子科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，廣西 桂林 541004)

界面接觸熱阻是指具有接觸傳熱關(guān)系的2個(gè)物體接觸面間的傳熱熱阻，也稱為接觸熱阻(thermal contact resistance,簡(jiǎn)稱TCR)[1]。如2個(gè)固體A和B相互接觸發(fā)生熱傳遞時(shí)，微觀上接觸表面是無法做到完全貼合和理想光滑的，假設(shè)通過兩試件的熱流密度為q，在A、B內(nèi)部溫度成線性分布(斜率與材料導(dǎo)熱系數(shù)相關(guān))，在接觸面上會(huì)產(chǎn)生一個(gè)溫度的突躍ΔTc[1]，如圖1所示。接觸熱阻R定義為2個(gè)接觸面的溫差ΔTc與通過2個(gè)試件的熱流密度q之比，即:

(1)

圖1 界面接觸熱阻產(chǎn)生原理

在電子設(shè)備熱設(shè)計(jì)領(lǐng)域，溫度上升過高對(duì)器件的壽命和可靠性都具有非常不利的影響。當(dāng)熱流密度q一定時(shí)，溫差ΔTc與接觸熱阻R成正比，降低R即可降低芯片的溫升。在大功率及高熱流密度傳熱應(yīng)用工況下，接觸熱阻是造成電子設(shè)備溫升過高的顯著環(huán)節(jié)，也愈來愈引起人們的重視[2-4]。

國(guó)內(nèi)外接觸熱阻的研究主要集中在接觸傳熱機(jī)理、強(qiáng)化傳熱途徑、接觸熱阻的表征測(cè)試方法等方面。如對(duì)接觸傳熱機(jī)理的研究學(xué)者們提出了眾多從一維到三維描述表面形貌的模型和假設(shè)，用于計(jì)算、預(yù)測(cè)接觸熱阻和研究其作用機(jī)制，但目前還沒有令人滿意的理論模型或可靠的經(jīng)驗(yàn)公式可以預(yù)測(cè)各種狀況下的接觸熱阻[3-5]。當(dāng)前對(duì)固-固界面的強(qiáng)化傳熱方法研究則主要集中在表面處理技術(shù)[6]和以納米管納米線、高定向熱解石墨、石墨烯、金剛石、納米銀、微米銅等新型熱界面材料的制備和實(shí)驗(yàn)研究性能表征方面[7]。而實(shí)驗(yàn)表征測(cè)試是工程上獲取接觸熱阻的最主要途徑，長(zhǎng)期以來對(duì)材料界面接觸傳熱性能的研究都是始于實(shí)驗(yàn)測(cè)試，各種接觸熱阻理論研究模型和經(jīng)驗(yàn)公式都是通過大量的實(shí)驗(yàn)研究來建立和驗(yàn)證的[3]。但是，當(dāng)前對(duì)于工程上普遍應(yīng)用的熱界面材料，生產(chǎn)廠家大多提供的也僅是采用不同測(cè)試方法給出的材料導(dǎo)熱系數(shù)，這對(duì)于接觸熱阻的工程實(shí)踐并不具備較大的指導(dǎo)性。

因此，采用一維穩(wěn)態(tài)測(cè)量法對(duì)導(dǎo)熱硅脂、導(dǎo)熱橡膠墊、銦片這3種工程上常用的熱界面材料隨加載壓力變化對(duì)固-固界面接觸熱阻的影響，進(jìn)行接觸熱阻的壓力實(shí)驗(yàn)研究，以期能為工程實(shí)踐提供借鑒和參考。

1 實(shí)驗(yàn)材料及實(shí)驗(yàn)原理

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)所采用的熱界面材料為導(dǎo)熱硅脂、導(dǎo)熱橡膠墊、銦片這3種，其型號(hào)和規(guī)格如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)所用熱界面材料型號(hào)及規(guī)格

1.2 實(shí)驗(yàn)原理

本研究采用工程上常用的一維穩(wěn)態(tài)測(cè)量法對(duì)接觸熱阻進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，其工作原理為：上下熱流計(jì)為鎢銅圓棒，一端加熱，另一端冷卻，當(dāng)受到一定載荷壓力時(shí)，上下熱流計(jì)相互接觸并且有熱量的傳遞，采取抽真空或隔熱材料包裹等措施使熱量只能沿?zé)崃饔?jì)軸向單方向傳遞，測(cè)量熱流計(jì)軸向上各點(diǎn)的溫度值，由傅里葉定律外推至接觸界面處，從而得到界面上的溫差ΔTc和熱流密度q，即可獲得接觸熱阻R[8-10]，如圖2所示。

圖2 接觸熱阻穩(wěn)態(tài)法測(cè)量原理

1.3 實(shí)驗(yàn)過程

采用桂林電子科技大學(xué)研發(fā)的接觸熱阻綜合測(cè)試儀對(duì)以上3種熱界面材料進(jìn)行了原位實(shí)驗(yàn)測(cè)試，熱電偶測(cè)試方案的測(cè)試精度優(yōu)于5%[2]。

圖3 接觸熱阻綜合測(cè)試儀

實(shí)驗(yàn)步驟如下：

1) 上、下熱流計(jì)安裝前，在超聲波清洗器中用無水乙醇和丙酮依次進(jìn)行清洗；

2)在上、下熱流計(jì)上測(cè)試孔內(nèi)安裝熱電偶，用導(dǎo)熱膏固定，并在周圈包裹多層隔熱鋁箔材料；

3)在兩接觸面上用200目的絲網(wǎng)篩刷涂導(dǎo)熱硅脂，導(dǎo)熱墊片和銦片則直接裁剪合適大小，直接放置即可；

4)設(shè)定接觸面壓力，調(diào)節(jié)加熱功率大小，啟動(dòng)恒溫水浴裝置，啟動(dòng)真空抽吸系統(tǒng)；

5)測(cè)試系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)熱平衡后，軟件自動(dòng)記錄測(cè)試結(jié)果并計(jì)算接觸熱阻數(shù)據(jù)，如圖4所示。

圖4 接觸熱阻測(cè)試軟件界面

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 導(dǎo)熱硅脂的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

導(dǎo)熱硅脂是一種用硅聚合物所制成的復(fù)合性油脂，內(nèi)含高度分散及經(jīng)微粉化的金屬氧化物，導(dǎo)熱脂硅為塑性材料，便于元器件反復(fù)拆卸裝配，具有一定流動(dòng)性，容易填補(bǔ)接觸表面的空隙，經(jīng)壓縮后其結(jié)合厚度可以變得相當(dāng)薄，可以很好地控制容積熱阻，這對(duì)降低熱阻有很大幫助[7,11-13]。

對(duì)Flextein?Grease5030型導(dǎo)熱硅脂進(jìn)行接觸熱阻的測(cè)試，其標(biāo)稱導(dǎo)熱系數(shù)為3 W/(m·K)，工程上其使用涂布厚度一般為0.02～0.05 mm。經(jīng)測(cè)試，得到不同壓力條件下接觸熱阻的數(shù)值如圖5所示。從圖5可看出，當(dāng)壓力小于20 psi時(shí)，接觸熱阻隨著壓力的升高而顯著降低，30 psi后變化趨于平緩。

圖5 導(dǎo)熱硅脂的測(cè)試接觸熱阻數(shù)值與壓力的關(guān)系

2.2 導(dǎo)熱橡膠墊的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

導(dǎo)熱橡膠墊一般是由硅橡膠、導(dǎo)熱填料和承載料組成，填料成分主要是氧化鋁、氮化硼及金屬氧化物[7,11]。導(dǎo)熱橡膠墊表面平整柔軟，能很好地貼合功率器件與散熱裝置。適用于器件與散熱表面之間有較大間隙需要填充，同時(shí)需要減振、防止沖擊、便于安裝和拆卸的工程應(yīng)用場(chǎng)景。

對(duì)Flextein?S50型導(dǎo)熱橡膠墊進(jìn)行接觸熱阻的測(cè)試，其標(biāo)稱導(dǎo)熱系數(shù)為5 W/(m·K)，測(cè)試了不同壓力條件下，不同厚度的導(dǎo)熱橡膠件接觸熱阻的數(shù)值，結(jié)果如圖6所示。從圖6可看出，厚度越大，壓力對(duì)接觸熱阻的影響則越顯著。當(dāng)壓力小于30 psi時(shí)，接觸熱阻實(shí)驗(yàn)數(shù)值隨壓力升高顯著降低，之后變化趨于平緩。

圖6 不同厚度的接觸熱阻實(shí)驗(yàn)數(shù)值與壓力關(guān)系

實(shí)驗(yàn)中也分別采用了Flextein?S30、S50、S80型厚度為1 mm的導(dǎo)熱橡膠墊作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，測(cè)試了不同壓力條件下導(dǎo)熱橡膠墊的接觸熱阻實(shí)驗(yàn)數(shù)值。從圖7可看出，在同樣壓力下，導(dǎo)熱系數(shù)高的導(dǎo)熱墊其接觸熱阻實(shí)驗(yàn)數(shù)值會(huì)越小，在30 psi前，導(dǎo)熱系數(shù)越大的導(dǎo)熱墊，其接觸熱阻實(shí)驗(yàn)數(shù)值隨壓力的升高，其降低的幅度會(huì)越大，同樣在30 psi壓力后，接觸熱阻實(shí)驗(yàn)數(shù)值變化幅度較為一致，說明再施加大的壓力已經(jīng)作用不明顯了。

圖7 不同熱導(dǎo)率導(dǎo)熱墊的接觸熱阻值與壓力關(guān)系

2.3 銦片的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

銦是一種低熔點(diǎn)合金，其延展性好，標(biāo)稱導(dǎo)熱率一般為82 W/(m·K)，在工程實(shí)踐上大多把它加工成極薄的銦片，厚度為0.1～0.3 mm。當(dāng)銦達(dá)到相變溫度點(diǎn)時(shí)，其變?yōu)橐簯B(tài)填滿整個(gè)界面的空隙，此時(shí)整個(gè)固-固的界面接觸熱阻會(huì)大幅降低，從而可顯著改善界面?zhèn)鳠嵝阅堋?/p>

對(duì)厚度為0.25 mm的TG800型銦片進(jìn)行了接觸熱阻的測(cè)試，得到銦片的接觸熱阻數(shù)值與壓力的關(guān)系如圖8所示。從圖8可看出，0.25 mm厚度的銦片實(shí)驗(yàn)接觸熱阻測(cè)試數(shù)值，隨著壓力載荷變化近似呈現(xiàn)線性變化，在30 psi壓力后的接觸熱阻實(shí)驗(yàn)數(shù)值變化幅度緩慢。

圖8 銦片的接觸熱阻數(shù)值與壓力的關(guān)系

3 結(jié)束語

采用穩(wěn)態(tài)熱流法針對(duì)當(dāng)前工程上的導(dǎo)熱硅脂、導(dǎo)熱橡膠墊、銦片這3種常用熱界面材料進(jìn)行了固-固界面接觸熱阻的實(shí)驗(yàn)研究，為電子設(shè)備的熱設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)和借鑒。測(cè)試結(jié)果表明：

1)在平面度較好(<0.1 mm)情況下，導(dǎo)熱硅脂對(duì)于降低固-固界面的接觸熱阻效果最優(yōu)；

2)在平面度較差(>0.1 mm)情況下，一般推薦使用導(dǎo)熱橡膠墊或銦片，在同等壓力條件下銦片的使用效果較佳。

3)3種熱界面材料的接觸熱阻實(shí)驗(yàn)數(shù)值都隨壓力的增大而降低，但超過一定壓力后，接觸熱阻隨壓力變化幅度變緩，在工程實(shí)踐上推薦30 psi為合適的選取壓力值。