接触热阻仿真

2014年 8月 28日

接触热阻会如何影响传热?随着电子设备的尺寸正变得日益小型化,进行有效热管理的重要性也愈发凸显。今天,电子封装的目标从最初的提供机械保护,逐渐过渡到还需要考虑向外部环境的散热。通过案例库中的一个电子封装和散热器装配的热管理模型,我们研究了接触热阻在其中扮演的角色。

什么是接触热阻?

当两个不同温度的材料发生接触时,就会发生热交换。看起来,两个材料的表面似乎完全直接接触在一起,但当我们靠近分析时,会发现许多材料在微米或纳米尺度具有明显的表面粗糙度。

当材料直接接触时,两个材料的属性决定了热导率。然而,表面粗糙度在接触的材料之间引入了空隙,通常其中会充满空气。气体的热导率,例如空气,通常远低于常见固体材料的热导率。因此,在没有接触到的区域中热流率较小,导致界面上的热阻增加。

不过,如果增加气隙处的结构应力,将减小气隙的尺寸和宽度,从而影响到热阻率。多数情况下,在气隙中还存在表面对表面的辐射,只是在很多应用中由于材料间的温差足够小,因此可以忽略这种现象。

接触热阻的微观视图。

电子设备案例中的接触热阻

在案例库中,可以找到一个已经求解的模型”电子封装和散热器之间的接触热阻“,其中研究了电子封装中的接触热阻带来的影响。

这个模型基于克莱姆森大学的 M. Grujicic, C.L. Zhao 和 E.C. Dusel 的研究“电子封装的热管理中的接触热阻效应”。在他们的文章中,作者使用有限元分析 (FEA) 研究了一个中央处理器 (CPU) 和散热器的热管理中的接触热阻效应,其中详细讨论了表面粗糙度的效应,接触材料的力和热属性、接触压力,以及材料对 CPU 最高温度的影响等。

COMSOL Multiphysics 模型复现了 Grujicic 等人的部分研究工作,我们着重考察了热接触热阻中的四个主要参数的影响,分别是:

  1. 接触压力
  2. 微硬度
  3. 表面粗糙度
  4. 表面粗糙度坡度

模型的几何由圆柱形电子封装和周围的包含 8 个冷却翅片的散热器构成。整个器件的效率依赖于散热器的 8 个翅片,以及电子封装和散热器之间的热交换效率。设备几何如下图所示,使用辐射对称来减小几何的尺寸,只需使用原几何尺寸的十六分之一。

散热器和电子封装的几何结构。
辐射对称和简化后的几何。

左:散热器和电子封装的几何结构,显示了围绕着圆柱形封装的 8 个冷却翅片。中和右:辐射对称和简化后的几何。

电子封装结构的半径为 1 厘米,高 5 厘米,由硅制成。散热器由铝制成,翅片的高度达到 2 厘米。电子封装产生大约 5 W 的热源功率,为了将这些热耗散掉,一个冷却风扇以 8.5 m/s 的速度将室温下的空气吹过散热器。

为了定义空气流动产生的冷却,我们使用了 COMSOL Multiphysics 中内置的散热系数。至于四个参数 — 接触压力、微硬度、表面粗糙度和表面坡度 — 使用在热接触接口中设定的参数扫掠来模拟。在模型中同时使用了三角形网格和扫掠网格。

您可以在案例文档中找到更多关于网格的信息。

COMSOL Multiphysics 中热接触界面的截图。

下图显示了使用参考值获得的温度分布:
模拟散热器和电子封装的温度分布。
温度分布仿真结果 。

离风扇越近(模型左侧),翅片的温度越接近 483 K,离风扇越远,温度越高,在最远的位置达到最大的 490 K。

分析集中热阻和气隙热阻

接下来我们进一步分析模型,确定接触压力、微硬度、表面粗糙度和表面坡度对集中热阻和气隙热阻的影响。这四个参数中的每一个都会对集中热阻和接触热阻产生影响,而影响量大小将直接影响散热器和电子封装表面的材料属性,从而改变电子设备的散热性能。

下图显示了分析结果:

随接触压力和微硬度变化的集中热阻。
随表面粗糙度和表面坡度变化的集中热阻。

左:随接触压力(x 轴)和微硬度(y 轴)变化的集中热阻。右:随表面粗糙度(x 轴)和表面坡度(y轴)变化的集中热阻。

随接触压力和微硬度变化的气隙热阻。
随表面粗糙度和表面坡度变化的气隙热阻。

左:随接触压力(x 轴)和微硬度(y 轴)变化的气隙热阻。右:随表面粗糙度(x 轴)和表面坡度(y 轴)变化的气隙热阻。

接触压力、粗糙度、粗糙度坡度,以及微硬度都会影响集中热阻。表面粗糙度坡度对气隙热阻的影响很小,见右下角图像,其中在竖直方向上显示出常数值结果。

Grujicic 等人的论文中得到的结论是,表面粗糙度,力学和热属性会显著地影响接触热阻,并进而影响热管理。根据 Grujicic 等人的观点,接触热阻及其影响因素在电子设备的热管理中扮演了极其重要的角色。因此,它会决定设备的性能、可靠性,以及寿命。

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