不同界面材料在VPX板卡散熱中的應用試驗研究

唐文輝，李 南，吳 競，李維忠

(中國船舶重工集團公司第七二四研究所，南京 211153)

0 引 言

電子設備元器件高集成度和大功率電子器件的應用使得電子設備功率密度和熱流密度大幅度提高。大量熱量集中產生，如果散熱不良，局部溫度過高，會導致電子設備性能下降甚至失效。目前，機柜中VPX板卡散熱方式是采取強迫風冷的方式，而下一代VPX機箱將很可能采用液冷機箱。

液冷VPX機箱采用強迫液冷的方式將VPX板卡熱量帶走，其散熱能力是強迫風冷方式的100倍以上[1]。為實現VPX板卡的快速可更換性，VPX板卡安裝于導熱冷板上，再將冷板插入液冷機箱，導熱冷板通過鎖緊條與液冷板緊密接觸從而進行傳熱，其散熱瓶頸之一就在于導熱冷板與液冷板之間的接觸傳熱。為了降低兩板間接觸熱阻，減小VPX板卡上電子元器件與冷卻液間傳熱溫差，本文提出了在導熱冷板與液冷板接觸面間增加不同界面材料以減小接觸熱阻的設想，并設計了相關實驗裝置進行試驗研究。

1 接觸熱阻理論

兩固體接觸面間產生的傳熱熱阻稱為接觸熱阻(TCR)。接觸熱阻計算公式為

R=ΔT/Q

其中，ΔT為兩固體間溫度差，接觸熱阻為ΔT和接觸面上平均熱流密度Q之比。對于接觸熱阻產生的機理，傳統的觀點認為由于兩接觸表面的實際接觸面積只占名義接觸面積的0.01%～0.1%，即使兩界面接觸壓力達到10 MPa，實際接觸面積也僅占名義接觸面積的1%～2%。未接觸的界面之間間隙充滿了導熱系數極低的空氣。在這些間隙內熱量只能通過導熱方式傳遞[2-3]。接觸熱阻產生機理示意圖見圖1。界面接觸熱阻取決于許多因素，包括兩種材料的熱物性、彈塑性、表面粗糙度、表面硬度、熱流方向、界面所受正壓力等[1]。

圖1 接觸熱阻產生機理

按照傳統單點接觸熱導及形變假設理論模型，接觸熱阻單點接觸模型[4]：

(1)

(2)

式中，hi為單點的接觸熱導(TCC)，即接觸熱阻(TCR)倒數；a為接觸點的接觸半徑；φ為接觸熱阻因子，為接觸點的接觸半徑與曲率半徑之比a/b的函數，φ的表達式隨a/b的不同而變化；λ為導熱系數。設總的接觸點數為N，則總接觸熱阻為

在形變理論模型研究方面,則存在著彈性模型、塑性模型和彈塑性模型3種不同的模型[5]。

近年來，隨著微/納米尺度傳熱學、介觀模擬方法、微米納米測量技術的發展，出現了納米結構、微尺度傳熱的新理論，且納米結構材料的特征長度已接近于熱載子平均自由程(mean free path, MFP)，傳統的傅里葉定律已經不再適用。對接觸熱阻的研究也已經深入到介觀、納米尺度水平，如聲失配(acoustic mismatch model, AMM)理論及SMAMM(scattering-mediated acoustic mismatch model)模型、散射失配理論(diffuse mismatch model, DMM)、PSPD(partially specula and partially diffuse model)模型、熱波(thermal wave contrast)CV模型等，數值模擬方法如基于格子Boltzmann方法、晶格動力學方法和分子動力學方法(molecular dynamics, MD)等。不斷的研究進一步揭示了接觸熱阻更深層次的傳熱機理[2]。

由于無法總結出通用的計算規律和經驗公式，對于不同的接觸界面通常使用試驗的方法進行測定，一般分為穩態法和瞬態法。圖2為美國國家標準ASTM D5470-06測試設備[6]。本文為研究不同界面材料對降低接觸熱阻的影響，對測試設備進行簡化，并按照VPX板卡的安裝方式設計了實驗裝置進行穩態傳熱性能測試，直接得到傳熱過程溫差。通過穩態傳熱溫差的比較得到在該安裝方式下各界面材料對降低接觸熱阻的改善程度。

圖2 接觸熱阻常用測試方法

2 實驗裝置

本文實驗裝置組成如圖3所示。

在模擬VPX板卡上安裝模擬熱源即加熱電阻，通過控制加在電阻上的電壓使電阻產生所需的熱量。實驗裝置主要有模擬液冷VPX機箱、液冷源、溫度數據采集設備及傳感器。模擬VPX板采用與VPX板卡相同的鎖緊條固定[7]，與液冷板接觸方式相同。液冷源供液溫度設定為30 ℃，供液流量為55 L/h，冷卻介質為去離子水。熱源在模擬VPX板上的布局及測溫點如圖4所示。界面材料添加在模擬VPX板與液冷板的接觸面之間。

圖3 液冷VPX機箱散熱實驗裝置組成

為盡量模擬真實的VPX熱源發熱情況，采用的是電阻加熱片。在加熱片與VPX冷板間增加一個均溫塊，材料為紫銅。在加熱片上端采用隔熱蓋板防止加熱片熱量耗散到環境空氣中，再采用螺釘將蓋板壓緊，均溫塊與模擬VPX板之間不添加界面填充材料。在模擬VPX冷板與液冷板接觸面之間增加一層界面材料，如圖5所示。

圖4 模擬VPX冷板表面測溫點

圖5 傳熱途徑截面

常見的減小接觸熱阻的界面材料可以分為幾種[8]：導熱脂及油、金屬箔和金屬絲網、低熔點合金、導熱墊、表面鍍層等。為研究不同界面材料對降低接觸熱阻的效果，在接觸面之間更換不同界面填充材料，對比分析不同材料間降低接觸熱阻的能力。本實驗中選擇了以下常見填充材料，另外增加了新型導熱材料石墨烯。各填充材料自身的特性參數見表1。

表1 不同界面填充材料特性參數

3 實驗結果

本文以電阻加熱片模擬VPX板卡熱源，在模擬VPX冷板表面布置了10處熱源。在VPX冷板與液冷板間填充不同界面材料的條件下，調節控制電阻加熱片的發熱量為200 W。在相同發熱量下測量穩態時模擬VPX冷板表面最高溫度及平均溫度，結果見表2。以冷板表面最高溫度及平均溫度為依據，通過對表2數據分析可知，填充石墨烯材料后，VPX冷板表面最高溫度與冷板平均溫度均優于其他實驗對象，其中冷板表面最高溫度比導熱硅脂低約5%,比無填充材料低15%，比銦片低18%，比導熱襯墊低25%。

表2 不同界面填充材料下測試結果

從圖4中可知，在整個傳熱途徑中，接觸熱阻分為電阻加熱片的均溫塊與模擬VPX冷板之間和模擬VPX冷板與液冷板之間兩部分接觸熱阻。為避免電阻加熱片更換界面材料帶來的頻繁拆裝引起的誤差，本實驗中該部分接觸面未填充界面材料，從而保證該部分接觸熱阻不變。在相同條件下，VPX冷板表面與冷卻液之間的傳熱溫差ΔT見表3。該結果顯示在VPX冷板與液冷板之間增加石墨烯材料以后，傳熱溫差為17 ℃～18 ℃，比沒有界面填充材料時降低了約6 ℃～7 ℃，比導熱襯墊降低了12 ℃以上。

表3 不同界面材料下測試結果

4 結束語

VPX冷板與液冷板接觸面間的接觸熱阻是液冷VPX機箱傳熱瓶頸之一，特別是在散熱量較大時會使傳熱溫差增加。本文通過液冷VPX機箱實驗裝置模擬VPX板卡傳熱過程，通過對冷板表面溫度和傳熱溫差的檢測，對比分析了石墨烯、導熱硅脂、導熱襯墊、銦片等不同界面填充材料和無界面材料對整個傳熱過程的改善程度。

試驗結果顯示，石墨烯具有良好的降低接觸熱阻能力，相比較傳統無填充材料接觸方式能夠降低冷板表面最高溫度約15%，傳熱溫差降低約6～7 ℃，對VPX板卡散熱具有明顯的改善作用。在液冷VPX機箱的設計中，可以通過增加石墨烯材料進一步改善以及增加VPX板卡冷板的散熱能力。