3种常用热界面材料的接触热阻压力实验研究

为了更好降低固-固界面接触热阻,研究了导热硅脂、导热橡胶垫、铟片这3种工程上常用的热界面材料随加载压力变化对固-固界面接触热阻的影响

摘要:为了更好降低固-固界面接触热阻,研究了导热硅脂、导热橡胶垫、铟片这3种工程上常用的热界面材料随加载压力变化对固-固界面接触热阻的影响。稳态热流法实验结果表明,30psi的压力为工程建议选取压力值。如当压力小于30psi时,导热硅脂和导热橡胶垫对接触热阻的影响随压力变化显著;当压力大于30psi时,导热硅脂和导热橡胶垫对接触热阻的影响随压力变化则不明显;导热橡胶垫的厚度随压力变化对接触热阻的影响较大,铟片随压力变化对接触热阻的影响是近似呈线性变化。

关键词:一维稳态热流法;接触热阻;热界面材料

界面接触热阻是指具有接触传热关系的2个物体接触面间的传热热阻,也称为接触热阻(thermal contact resistance,简称TCR)。如2个固体A和B相互接触发生热传递时,微观上接触表面是无法做到完全贴合和理想光滑的,假设通过两试件的热流密度为q,在A,B内部温度成线性分布(斜率与材料导热系数相关),在接触面上会产生一个温度的突跃ΔTc,如图1所示。接触热阻R定义为2个接触面的温差ΔTc与通过2个试件的热流密度q之比,即:
热流密度
在电子设备热设计领域,温度上升过高对器件的寿命和可靠性都具有非常不利的影响。当热流密度q一定时,温差ΔTc与接触热阻R成正比,降低R即可降低芯片的温升。在大功率及高热流密度传热应用工况下,接触热阻是造成电子设备温升过高的显著环节,也愈来愈引起人们的重视。
界面接触热阻产生原理
图1 界面接触热阻产生原理

国内外接触热阻的研究主要集中在接触传热机理、强化传热途径、接触热阻的表征测试方法等方面。如对接触传热机理的研究学者们提出了众多从一维到三维描述表面形貌的模型和假设,用于计算、预测接触热阻和研究其作用机制,但目前还没有令人满意的理论模型或可靠的经验公式可以预测各种状况下的接触热阻。当前对固-固界面的强化传热方法研究则主要集中在表面处理技术和以纳米管纳米线、高定向热解石墨、石墨烯、金刚石、纳米银、微米铜等新型热界面材料的制备和实验研究性能表征方面。而实验表征测试是工程上获取接触热阻的最主要途径,长期以来对材料界面接触传热性能的研究都是始于实验测试,各种接触热阻理论研究模型和经验公式都是通过大量的实验研究来建立和验证的。但是,当前对于工程上普遍应用的热界面材料,生产厂家大多提供的也仅是采用不同测试方法给出的材料导热系数,这对于接触热阻的工程实践并不具备较大的指导性。

因此,采用一维稳态测量法对导热硅脂、导热橡胶垫、铟片这3种工程上常用的热界面材料随加载压力变化对固-固界面接触热阻的影响,进行接触热阻的压力实验研究,以期能为工程实践提供借鉴和参考。

01 实验材料及实验原理

1.1 实验材料

实验所采用的热界面材料为导热硅脂、导热橡胶垫、铟片这3种,其型号和规格如表1所示。

表1 实验所用热界面材料型号及规格
热界面材料型号及规格

1.2 实验原理

本研究采用工程上常用的一维稳态测量法对接触热阻进行实验研究,其工作原理为:上下热流计为钨铜圆棒,一端加热,另一端冷却,当受到一定载荷压力时,上下热流计相互接触并且有热量的传递,采取抽真空或隔热材料包裹等措施使热量只能沿热流计轴向单方向传递,测量热流计轴向上各点的温度值,由傅里叶定律外推至接触界面处,从而得到界面上的温差ΔTc和热流密度q,即可获得接触热阻R,如图2所示。

接触热阻稳态法测量原理
图2 接触热阻稳态法测量原理

1.3 实验过程

采用桂林电子科技大学研发的接触热阻综合测试仪对以上3种热界面材料进行了原位实验测试,热电偶测试方案的测试精度优于5%。

实验步骤如下:
1. 上、下热流计安装前,在超声波清洗器中用无水乙醇和丙酮依次进行清洗;
2. 在上、下热流计上测试孔内安装热电偶,用导热膏固定,并在周圈包裹多层隔热铝箔材料;
3. 在两接触面上用200目的丝网筛刷涂导热硅脂,导热垫片和铟片则直接裁剪合适大小,直接放置即可;
4. 设定接触面压力,调节加热功率大小,启动恒温水浴装置,启动真空抽吸系统;
5. 测试系统达到稳态热平衡后,软件自动记录测试结果并计算接触热阻数据,如图4所示。

reguanli.com 接触热阻综合测试仪
图3 接触热阻综合测试仪

接触热阻测试软件界面
图4 接触热阻测试软件界面

02 实验结果与讨论

2.1 导热硅脂的实验结果

导热硅脂是一种用硅聚合物所制成的复合性油脂,内含高度分散及经微粉化的金属氧化物,导热脂硅为塑性材料,便于元器件反复拆卸装配,具有一定流动性,容易填补接触表面的空隙,经压缩后其结合厚度可以变得相当薄,可以很好地控制容积热阻,这对降低热阻有很大帮助。

对Flextein® Grease 5030型导热硅脂进行接触热阻的测试,其标称导热系数为3W/(m·K),工程上其使用涂布厚度一般为0.02~0.05mm。经测试,得到不同压力条件下接触热阻的数值如图5所示。从图5可看出,当压力小于20psi时,接触热阻随着压力的升高而显著降低,30psi后变化趋于平缓。

导热硅脂的测试接触热阻数值与压力的关系
图5 导热硅脂的测试接触热阻数值与压力的关系

2.2 导热橡胶垫的实验结果

导热橡胶垫一般是由硅橡胶、导热填料和承载料组成,填料成分主要是氧化铝、氮化硼及金属氧化物。导热橡胶垫表面平整柔软,能很好地贴合功率器件与散热装置。适用于器件与散热表面之间有较大间隙需要填充,同时需要减振、防止冲击、便于安装和拆卸的工程应用场景。

对Flextein® S50型导热橡胶垫进行接触热阻的测试,其标称导热系数为5W/(m·K),测试了不同压力条件下,不同厚度的导热橡胶件接触热阻的数值,结果如图6所示。从图6可看出,厚度越大,压力对接触热阻的影响则越显著。当压力小于30psi时,接触热阻实验数值随压力升高显著降低,之后变化趋于平缓。

不同厚度的接触热阻实验数值与压力关系
图6 不同厚度的接触热阻实验数值与压力关系

实验中也分别采用了Flextein® S30、S50、S80 型厚度为1mm的导热橡胶垫作为实验对象,测试了不同压力条件下导热橡胶垫的接触热阻实验数值。从图7可看出,在同样压力下,导热系数高的导热垫其接触热阻实验数值会越小,在30psi前,导热系数越大的导热垫,其接触热阻实验数值随压力的升高,其降低的幅度会越大,同样在30psi压力后,接触热阻实验数值变化幅度较为一致,说明再施加大的压力已经作用不明显了。

不同热导率导热垫的接触热阻值与压力关系
图7 不同热导率导热垫的接触热阻值与压力关系

2.3 铟片的实验结果

铟是一种低熔点合金,其延展性好,标称导热率一般为82W/(m·K),在工程实践上大多把它加工成极薄的铟片,厚度为0.1~0.3mm。当铟达到相变温度点时,其变为液态填满整个界面的空隙,此时整个固-固的界面接触热阻会大幅降低,从而可显著改善界面传热性能。

对厚度为0.25mm的TG800型铟片进行了接触热阻的测试,得到铟片的接触热阻数值与压力的关系如图8所示。从图8可看出,0.25mm 厚度的铟片实验接触热阻测试数值,随着压力载荷变化近似呈现线性变化,在30psi压力后的接触热阻实验数值变化幅度缓慢。

铟片的接触热阻数值与压力的关系
图8 铟片的接触热阻数值与压力的关系

03 结束语

采用稳态热流法针对当前工程上的导热硅脂、导热橡胶垫、铟片这3种常用热界面材料进行了固-固界面接触热阻的实验研究,为电子设备的热设计提供指导和借鉴。测试结果表明:

1. 在平面度较好(<0.1mm)情况下,导热硅脂对于降低固-固界面的接触热阻效果最优;
2. 在平面度较差(>0.1mm)情况下,一般推荐使用导热橡胶垫或铟片,在同等压力条件下铟片的使用效果较佳。
3. 3种热界面材料的接触热阻实验数值都随压力的增大而降低,但超过一定压力后,接触热阻随压力变化幅度变缓,在工程实践上推荐30psi为合适的选取压力值。

参考文献 略  信息来源:知网
原文链接
DOI:10.16725/j.cnki.cn45-1351/tn.2020.04.017

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