固态组件和冷板间的接触热阻实验研究*

贲少愚，李金旺，杨冬梅

(南京电子技术研究所， 江苏 南京 210039)

固态组件和冷板间的接触热阻实验研究*

贲少愚，李金旺，杨冬梅

(南京电子技术研究所， 江苏 南京 210039)

为了维护的方便，电子设备固态组件与冷板之间的连接一般不采用焊接的方式，而是采用螺钉连接、锁紧机构压紧等形式。文中对采用4个M2.5螺钉进行连接以及采用锲形块锁紧机构进行连接两种情况的接触热阻进行了对比实验研究，并研究了相同锁紧形式下，在连接界面添加不同界面材料(导热硅脂、铟箔和导热衬垫)时的接触热阻，以及不同热流密度情况下的接触热阻。结果表明：锁紧机构连接的接触热阻小于螺钉连接的情况；添加界面材料后接触热阻变小；界面材料中，添加导热硅脂时的接触热阻最小，而铟箔最大。

接触热阻；固态组件；冷板；冷却

引 言

为了维护的方便，雷达等电子设备一般进行模块化设计，它往往包括若干个现场可更换的单元(LRU)，例如天线单元、处理单元、接收单元和电源单元等。一个LRU往往包括若干个现场可更换的模块(LRM)，因此，无论是采用强迫风冷还是强迫液冷的形式，冷却介质往往只能与LRM模块的壳体进行接触。而且，为了安装和维护的方便，在雷达系统中，冷却介质(特别是液体介质)一般不直接与LRM模块接触，而是只在冷板内流动(所谓冷板，就是一种特殊的热交换器，其内部包含流道，工作时内部流道内的流体与冷板进行热交换)，模块工作时产生的热量通过模块的壳体先传导给冷板的壳体，然后再通过对流换热的方式传给冷却介质，通过冷却介质的流动和循环将热量带走[1]。

组件与冷板之间的连接一般不采用焊接的方式，而是采用螺钉连接、锁紧机构压紧等形式。不同连接情况的冷却效果如何，前人对此进行了大量的研究，主要包括接触热阻模型方面的理论研究和一些特定场合的实验研究[2-3]。对于干接触，一般来说，压紧力越大，接触热阻就越小[4-5]。但压紧力不可能无限增大，尤其是精密电子设备的场合。在压紧力相同的场合，采用铟箔、导热衬垫等热界面材料减小接触热阻是可行的[5-6]。在理论研究尚未完善时，为了指导实际的工程应用，还是需要进行实验测试。鉴于此，本文对电子设备组件与冷板之间采用螺钉连接、锁紧机构压紧两种方式的冷却效果进行了对比实验研究，并进一步研究了在接触界面分别填充导热硅脂、铟箔和导热衬垫以及无填充时的冷却效果，还研究了不同热流密度情况下的接触热阻，为相关的工程设计提供参考。

1 实验

实验系统如图1所示。热量通过安装在组件上的加热电阻产生，单个电阻的阻值为100 Ω，通过控制加在电阻上的电压使电阻产生所需的热量。所有工况均采用相同的组件和冷板，供液温度22 ℃，供液流量为40 L/h，冷却介质为65%乙二醇水溶液。热源在组件上的布局以及组件在冷板上的布局如图2所示。加热电阻焊接在组件上，组件通过螺钉或锲形块锁紧机构与冷板连接，冷板的进出口分别与末端冷却机组的供、回液管路相连。

图1 实验系统图

图2 组件在冷板上的布局示意图

实验所用电阻的传热面积较真实组件的芯片传热面积大，为了使实验工况更接近实际，设计一个垫块进行过渡，垫块一端面积等于某芯片的发热面积(0.14 cm2)，另一端面积等于发热电阻的底面积(2.3 cm2)。先将垫块焊接在组件壳体底板上，再将发热电阻用螺钉紧固安装到垫块上。测量接触界面温差的热电偶分别位于界面的两侧(在热源的正下方)，对应位置关系如图3所示。

图3 传热途径截面示意图

在本文的实验中，组件与冷板之间的连接包括两种形式：一种是采用4个M2.5螺钉进行连接；一种是采用锲形块锁紧机构进行连接。本实验对上述两种形式的冷却效果进行了对比研究，并研究了相同锁紧形式下，在连接界面添加不同界面材料(铟箔、导热硅脂和导热衬垫)的冷却效果。通过给发热电阻加上不同的电压，可使电阻产生不同的热量，由于电阻的发热面积固定，从而可获得不同热流密度的工况。

2 结果与讨论

2.1 锁紧形式的影响

本文对组件和冷板间采用不同连接方式的冷却效果进行了对比研究，组件和冷板间分别采用锲形块锁紧机构和4个M2.5螺钉连接对应的接触热阻如表1所示。从表中可以看出，锲形块锁紧机构连接时，6个测试点的接触热阻介于1.56～1.99 ℃/W之间，平均值为1.79 ℃/W；而M2.5螺钉连接时，6个测试点的接触热阻介于1.61～2.51 ℃/W之间，平均值为2.08 ℃/W，较前者增加了0.29 ℃/W，增幅达16.2%。可见，组件和冷板间采用锲形块锁紧机构进行连接的冷却效果要优于采用4个M2.5螺钉进行连接的情况。造成上述结果的原因可能是采用螺钉连接时，螺钉位于组件4角，离热源较远；而采用锲形块锁紧机构进行连接时，锲形块锁紧机构位于组件的两边上，离热源较近。

表1 采用不同连接方式时各处的接触热阻 ℃/W

连接方式位置1位置2位置3位置4位置5位置6平均值锁紧机构连接1.971.921.991.561.591.681.79螺钉连接1.952.222.512.121.612.062.08

2.2 界面材料的影响

本文对锲形块锁紧机构连接时，连接界面无界面材料以及界面材料分别为铟箔、导热硅脂(TL-5121)和导热衬垫(Q-Pad3-0.005-AC)时的冷却效果进行了对比研究，上述4种情况对应的接触热阻如表2所示。从表中可以看出，不采用界面材料时，6个测试点的接触热阻介于2.08～2.55 ℃/W之间，平均值为2.32 ℃/W；采用铟箔作为界面材料时，6个测试点的接触热阻介于1.90～2.75 ℃/W之间，平均值为2.25 ℃/W，较无界面材料情况减少了0.26 ℃/W，降幅为11.2%；采用导热硅脂作为界面材料时，6个测试点的接触热阻介于1.56～1.99 ℃/W之间，平均值为1.79 ℃/W，较无界面材料情况减少了0.53 ℃/W，降幅达22.8%；采用导热衬垫作为界面材料时，6个测试点的接触热阻介于1.88～2.52 ℃/W之间，平均值为2.18 ℃/W，较无界面材料情况减少了0.14 ℃/W，降幅为6.03%。导热硅脂为液态，组件与冷板之间接触间隙较小，从而接触热阻较小；而铟箔是较硬的材料，组件与冷板之间接触间隙较大，从而接触热阻较大；而导热衬垫的性能则介于导热硅脂和铟箔之间。

表2 采用不同界面材料时各处的接触热阻 ℃/W

界面材料位置1位置2位置3位置4位置5位置6平均值无界面材料2.552.502.192.242.082.382.32铟箔2.532.752.082.101.902.142.25导热硅脂1.971.921.991.561.591.681.79导热衬垫2.522.442.122.141.882.002.18

2.3 热流密度的影响

本文对连接界面无界面材料、不同热流密度情况下的接触热阻进行了实验研究。本实验给发热电阻分别加上27.0V、32.2V和38.4V的电压，获得的工况的热流密度分别为52.1 W/cm2、74.3 W/cm2和105.8 W/cm2，实验结果如表3所示。从表中可以看出，不同热流密度、相同连接形式的情况下，接触热阻基本相同。在工程应用中，如果接触连接形式相同，即使在不同的热流密度场合，其接触热阻也基本相同。通过取接触界面的接触热阻和接触单元的热耗值的乘积，从而可计算得到该界面的温升，这可为相关的设计和应用提供参考。

表3 不同热流密度时各处的接触热阻 ℃/W

热流密度/(W·cm-2)位置1位置2位置3位置4位置5位置6平均值52.12.612.562.232.292.112.422.3774.32.552.52.192.242.082.382.32105.82.562.512.212.272.092.42.34

3 结束语

本文对采用4个M2.5螺钉进行连接及采用锲形块锁紧机构进行连接两种情况的接触热阻进行了对比实验研究，并研究了相同锁紧形式下，在连接界面添加不同界面材料时的接触热阻。结论如下：

1)锁紧机构连接方式的接触热阻小于螺钉连接时的情况；

2)在连接界面添加界面材料时的接触热阻小于不添加界面材料的情况；而添加导热硅脂时的接触热阻小于添加导热衬垫的情况，添加铟箔时的接触热阻最大；

3)不同热流密度、相同连接形式的情况下，接触热阻基本相同。

[1] 李金旺, 钱吉裕. 固态组件材料和结构参数对热阻的影响[J]. 电子机械工程, 2014, 30(2): 19-22.

[2] 王安良, 赵剑锋. 接触热阻预测的研究综述[J]. 中国科学：技术科学, 2011, 41(5): 545-556.

[3] 张平, 宣益民, 李强. 界面接触热阻的研究进展[J]. 化工学报, 2012, 63(2): 335-349.

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[5] 徐圣亚, 洪国同. 真空低温下螺钉压紧的Cu-Cu界面间接触热阻的实验研究[J]. 真空与低温, 2010, 16(3): 153-156.

[6] 答邦宁. 导热衬垫在印制板组件上的应用研究[J]. 电子机械工程, 2013, 29(3): 50-52, 64.

Experimental Study on Thermal Contact Resistance between Solid State Module and Cold Plate

BEN Shao-yu，LI Jin-wang，YANG Dong-mei

(NanjingResearchInstituteofElectronicsTechnology,Nanjing210039,China)

For convenient maintenance, bolt connection and impaction by locking mechanism are usually used between solid state module and cold plate instead of jointing connection in electronic equipments. The thermal contact resistances of two types of connection (connection by four M2.5 bolts and impaction by wedged-block locking mechanism) are experimentally studied by comparison in this article. The thermal contact resistances using same locking method but adding different interface material (thermal grease, indium foil and thermal conductive pad) and the thermal contact resistances under different thermal densities are also studied. Results show that the thermal contact resistance of locking mechanism connection is smaller than that of bolt connection; the thermal contact resistance is smaller when interface material are added; among the interface materials, the thermal contact resistance while adding thermal grease is the best and indium foil is the worst.

thermal contact resistance; solid state module; cold plate; cooling

2014-09-23

TK124

A

1008-5300(2014)06-0012-03

贲少愚(1972-)，男，高级工程师，主要从事电子设备结构设计工作。