接触热阻的仿真标定,物理测量及影响因素
接触热阻的仿真标定,物理测量及影响因素
两个互相接触的固体表面,实际上并不会完全接触,在未接触的界面之间的间隙常常充满了空气,热量将以导热的方式穿过这种气隙层,这种情况与固体表面完全接触相比,增加了附加的传递阻力,称为接触热阻。工业上为了降低接触热阻,通常会采用TIM2材料去赶走间隙之间的空气,从趋势上提升导热能力。
图一 接触热阻的定义
由于接触热阻和很多因素有关,而且,接触热阻占整个导热路径的权重也比较大(一般30%左右),行业内也投入大量的研究,希望能准确测量接触热阻。 热数字孪生技术,可以通过结构函数的拟合,得到接触热阻的等效值(参考文章:热测试(九)——热模型Calibration技术提高IGBT热仿真精度)。如下图中,结构函数的热容值变化不大,热阻值变化比较大的区域,通过仿真中设置不同接触热阻的值,最终使得仿真的结构函数曲线,尽可能去拟合测试的结构函数曲线。 拟合出来的接触热阻值,一定程度上是可以重现的。但是其物理意义和精度,依然存在很多说不清楚的地方,主要有以下几点原因: 通过仿真计算出来的值,拟合的标准是通过人为的判断,实际的变化范围也比较大;
接触面的温度有分布,导致接触热阻的物理意义有一定的复杂性;
实际的测试的结构函数曲线的物理意义并不十分明确,有可能还包含除了接触热阻以外的因素;
无法通过实际的测量来验证拟合值的正确性。
图二 接触热阻的标定
工程应用中,我们可以认为这种拟合值是等效的“接触热阻值”,在工况条件标准化的前提下,可以在设计方案中去应用这个拟合值。一般认为,这个值在数量级上和实际值是吻合的,而精度是无法保证的。 ![](https://public.fangzhenxiu.com/fixComment/commentContent/imgs/1693328434135_4bem82.jpg?imageView2/0)
图三 系统总热阻的精确测量
测量的系统的总热阻是通过瞬态热测试技术实现的(具体技术原理请参考以前的文章:热测试(七)——对ASTM D5470稳态热流法的改良)。通过方案设计,让测量台架的热流路径尽量地接近于“层流”,从热端到冷端,等温面接近于平面,且和材料的几何形状一致,这样接触热阻的物理意义变得明确可测。基于这样的一个原则,我们对接触热阻的测量台架做如下设计:
图四 接触热阻的测量台架设计方案
在热流路径是层流的前提下,TIM2材料硬度,加载接触面上的压力,以及接触面的表面粗糙度,是影响接触面热阻的主要因素。为了明确被测物理量的确定意义及保证测量精度,我们需要对一些参数做精确控制。 压力控制:通过压力控制,获得不同压力下的系统总体温度梯度,从而获得特定压力值下,准确的系统总热阻;
平行度控制:层流的情况下,保证等温面和材料的几何表面重合;
温度精确测量:通过瞬态热测试技术实现,精度可以达到0.01度;
精密测距和步进控制:稳态法测材料热导率的必须功能,从而可以获得TIM2材料自身的热阻值;
冷板温度控制:配合温度精确测量,获得准确的温度梯度。
这样我们已经具备了测试接触热阻的条件,具体步骤如下:
a)在夹具样品层放置液态金属,控制很薄的厚度(热阻接近于0),测量出台架的热阻Rth-System;
b)样品层更换成TIM2材料,根据ASTM D5470的原理,测量出TIM2材料的热导率;
c)通过步进电机,测量样品层样品的厚度,计算出样品的热阻Rth-样品;
d)测量系统的总热阻Rth总 = Rth-System + Rth-样品 + Rth-接触;
e)计算接触热阻Rth-接触。
![](https://public.fangzhenxiu.com/fixComment/commentContent/imgs/1693328434973_jpx1j5.jpg?imageView2/0)
图五 接触热阻的计算
基于以上的测量方式,我们评估TIM2的硬度,压力及表面粗糙度对接触热阻值的影响。
图六 压力实验
样品是导热垫,热导率3.0W/mk,邵氏硬度50,厚度分别为1mm,2mm和3mm,样品尺寸为圆形,直径为12.8mm。用这样的实验来评估压力对接触热阻的影响。 测定表一的样品压缩时的热阻值及压力值。压缩比相对于各样品的厚度压缩2.5%~50%。
图七 压力实验数据
左图中显示,通过测定得到的热阻值呈直线状态,因此推测压缩引起的面积变化对结果没有影响,虚线与相同间隙中的实线之差为接触热阻值。各压缩量下的接触热阻值如右图所示。通过数据分析,我们发现接触热阻值在压缩量为20%以上时,接触热阻值相对于压缩量的变化不大。而在低压缩的情况下,接触热阻值变高,推测其原因是,当压力较小时,在TIM材料和夹具的界面存在残留空隙。因此,发现接触热阻值与压力有关联性。 当压力为0.08MPa以上时,接触热阻值相对于压力的变化很小。压缩量为20%时的压缩载荷值为0.08MPa,根据以上结果,在硬度为相同的TIM的情况下,在0.08MPa以下的压力下,接触热阻变动,因此为了得到不受压力影响的热阻值,必须使TIM的压力为0.08MPa以上。 接下来我们评估硬度对接触热阻的影响。如下图表二所示,测定同热导率不同硬度的样品的热阻值,样品硬度分别为邵氏28,37,45,压缩比2.5%~50%。测定各样品接触热阻值的结果为右图所示。 结果表明,样品在压缩比20%以上的区域,不同硬度的样品,接触热阻相对于压缩量的变化不大,其接触热阻值也比较接近。而在压缩比20%以下的区域,硬度不同,也导致接触热阻值存在很大的差异。推测的原因是,硬度不同的样品,压缩比会导致TIM材料和界面之间的间隙不同,而硬度比较低的样品,即使在小的压缩比下,TIM对界面的追随性高,所以接触热阻值更小。
图八 硬度的验证
图九 表面粗糙度对接触热阻的影响
为了验证表面粗糙度对接触热阻值的影响,使用各研磨方法去研磨Al基板上导热垫(片状的TIM,厚度1mm),测定相对于样品的厚度压缩比2.5~50%时的热阻值。研磨方法分别为无研磨、抛光、Glass Beads#100研磨、Emery#100研磨。如上图所示。 结果表明,在压缩比小于10%的区域,表面粗糙度对接触热阻值的影响不大,而压缩比从10%-20%之间,表面粗糙度对接触热阻值的影响表现为表面粗糙度越低,接触热阻值越小,且随着压缩比变化而变化,而当压缩比大于20%时,接触热阻值再次趋向稳定,也就是随着压缩比变化,接触热阻值变化不大。
图十 表面粗糙度的数据分析
实验中的数据,是在特定样品情况下产生的,数据变化趋势和重复性较好。通过测定从低压缩区域到高压缩区域的热阻值,可以测量压缩时的压力、硬度、表面粗糙度对接触热阻值产生影响。对于其接触热阻值的测量,其实际值和压力,表面粗糙度,及样品硬度的关系,符合理论推导预期,一定程度上说明,接触热阻是可以测量的。但是如果样品变化后,这些数据大概率会变化,如果需要对接触热阻做更深刻的研究,还必须设置更多的变量,通过大量的实验数据,去寻找其中的规律。 参考文献:Yuko KIMURA*1, Masakazu HATTORI*1, QunYUAN *2 ,Study on Factors Affecting Thermal Contact Resistance of ThermalInterface Materials, Mate2020_ 201130
热测试(七)——对ASTM-D5470稳态热流法的改良
热测试(九)——热模型Calibration技术提高IGBT热仿真精度