接觸界面?zhèn)鳠釡夭羁刂频难芯?/h1>
2021-08-14 09:20:14謝明君李姣姣
中國(guó)設(shè)備工程 2021年15期
謝明君，李姣姣
（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081）
隨著大規(guī)模集成電路的高速發(fā)展，數(shù)字IC 芯片的發(fā)熱量隨集成度的提高而迅速增加，溫度控制技術(shù)和散熱技術(shù)已經(jīng)成為制約IC 芯片進(jìn)一步發(fā)展和可靠性的重要因素。接觸傳熱溫差是由于接觸面之間無(wú)法100%良好貼合而產(chǎn)生接觸熱阻所造成的，是造成電子設(shè)備溫度過(guò)高的重要因素之一，目前還沒(méi)有令人滿意的理論模型或可靠的經(jīng)驗(yàn)公式可以預(yù)測(cè)各種狀況下的接觸熱阻。尤其是在星載環(huán)境條件下，由于缺少空氣的對(duì)流與傳導(dǎo)，接觸面?zhèn)鳠釡夭畹母呔瓤刂埔呀?jīng)成為星載熱控系統(tǒng)的關(guān)鍵問(wèn)題之一。
1 數(shù)字板卡接觸傳熱問(wèn)題概述
當(dāng)前數(shù)字板卡散熱常采用一整塊與印制板尺寸相同或接近的金屬導(dǎo)熱板輔助散熱，數(shù)字板卡上多個(gè)IC 芯片的熱量主要通過(guò)熱傳導(dǎo)傳遞給導(dǎo)熱板，由導(dǎo)熱板再通過(guò)風(fēng)冷或液冷的形式傳遞給熱沉。為了契合數(shù)字板卡上多個(gè)不同IC 芯片的高度，導(dǎo)熱板與芯片貼合的一面常加工成高低不同的凸臺(tái)的形式，同時(shí)，為了補(bǔ)償由于導(dǎo)熱板機(jī)加工誤差以及降低安裝應(yīng)力，在IC 芯片與導(dǎo)熱板之間常添加柔性導(dǎo)熱墊。柔性導(dǎo)熱墊作為熱界面材料，一般以硅橡膠為主，具備一定彈性和可壓縮性。IC 芯片絕大部分熱量是通過(guò)與導(dǎo)熱板之間熱傳導(dǎo)傳遞出去的，兩者的接觸傳熱必然產(chǎn)生傳熱溫差，對(duì)于降低芯片溫度而言，要求盡可能低的降低傳熱溫差。對(duì)于芯片的高精度溫度控制而言，要求傳熱溫差的實(shí)際值盡可能與設(shè)計(jì)值接近。由接觸熱阻相關(guān)理論得知：傳熱溫差與兩者之間的接觸熱阻以及接觸面?zhèn)鬟f的熱功率相關(guān)，IC 芯片熱功率是定值，熱沉的溫度是一定的，控制接觸面接觸熱阻即可實(shí)現(xiàn)傳熱溫差控制以及在一定程度上控制芯片溫度（圖1）。
圖1 數(shù)字板卡爆炸圖
2 當(dāng)前問(wèn)題
接觸面的接觸熱阻與接觸面的平面度、粗糙度、導(dǎo)熱墊的熱導(dǎo)率、壓縮量以及接觸面的壓力有關(guān)。數(shù)字板卡IC 芯片實(shí)際高度受到芯片回流焊接過(guò)程參數(shù)的影響，焊球融化的程度影響其實(shí)際高度，因此，必須待焊接完成后實(shí)際測(cè)量，目前常采用游標(biāo)卡尺作為測(cè)量工具，容易劃傷印制板而測(cè)量不準(zhǔn)確；導(dǎo)熱墊說(shuō)明書提供的熱阻數(shù)據(jù)為導(dǎo)熱墊材料本身的熱阻R 墊，并未考慮導(dǎo)熱墊與發(fā)熱器件以及散熱器之間接觸面空氣間隙產(chǎn)生的熱阻，在高精度傳熱控制中是無(wú)法直接通過(guò)其得出接觸面總的接觸熱阻R 的。此外，數(shù)字板卡與導(dǎo)熱板之間的緊固連接形式和程度影響兩者之間的接觸壓力，進(jìn)而對(duì)傳熱溫差造成影響。常用的IC 芯片尺寸一般在45mm×45mm 之內(nèi)，在此尺寸范圍內(nèi)加工精度一般都能保證較好的平面度，因此，對(duì)于數(shù)字板卡與導(dǎo)熱板接觸傳熱平面度影響較小，在此忽略不計(jì)。
3 傳熱溫差控制方法
為了實(shí)現(xiàn)數(shù)字板卡接觸傳熱的高精度設(shè)計(jì)，提出了一種接觸界面?zhèn)鳠釡夭羁刂品椒?，控制流程圖如圖2 所示。
圖2 接觸界面?zhèn)鳠釡夭羁刂屏鞒虉D
（1）若傳熱溫差要求控制為△T，將數(shù)字板卡水平放置并固定，以印制板上表面A 為IC 芯片高度的原點(diǎn)，采用派姆特科技（蘇州）有限公司的PMT ARM 便攜測(cè)量機(jī)依次測(cè)量數(shù)字板卡上各IC 高度Yi。
（2）對(duì)導(dǎo)熱墊進(jìn)行初步選型，根據(jù)傳熱溫差要求△T、導(dǎo)熱墊熱阻值R 墊、初步選定導(dǎo)熱墊的產(chǎn)品型號(hào)和厚度h 墊。
（3）在DSL-Ⅲ導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試儀上，將上熱流計(jì)下表面粗糙度設(shè)定為與導(dǎo)熱板凸臺(tái)相同，下熱流計(jì)表面粗糙度設(shè)定為與IC 芯片相同，將導(dǎo)熱墊放置在上下熱流計(jì)之間，施加加熱功率與IC 熱功率相等，施加并改變接觸面壓力，直至接觸面?zhèn)鳠釡夭钆c△T 相等，記錄接觸面的壓力為P，根據(jù)導(dǎo)熱墊說(shuō)明書提供的壓縮量-壓力變化曲線讀取導(dǎo)熱墊壓縮量為h 壓，若持續(xù)升高接觸面壓力但接觸面溫差仍大于△T，則重復(fù)步驟2～3，對(duì)導(dǎo)熱墊從新選型直至滿足△T 要求。
（4）進(jìn)行導(dǎo)熱板設(shè)計(jì)，如圖3 所示，各對(duì)應(yīng)凸臺(tái)高度H 凸i=H-H 板-Yi-（h 墊-h 壓），設(shè)計(jì)導(dǎo)熱板與印制板之間緊固螺釘位置，一般采用n 點(diǎn)固定，n 不小于6。
圖3 印制板與導(dǎo)熱板尺寸位置關(guān)系圖
（5）加工導(dǎo)熱板，導(dǎo)熱板材料一般為鋁合金。
（6）在扭矩-壓力試驗(yàn)測(cè)試平臺(tái)上（圖4），數(shù)字板卡IC 芯片與導(dǎo)熱板凸臺(tái)之間安裝壓力傳感器(斯巴拓SBT674)，采用扭矩扳手(MAGTA 28111)對(duì)緊固螺釘進(jìn)行緊固，當(dāng)壓力傳感器讀數(shù)與P 相等時(shí)，記錄各緊固螺釘扭矩值Mn。
圖4 扭矩-壓力試驗(yàn)測(cè)試平臺(tái)
（7）數(shù)字板卡導(dǎo)熱墊導(dǎo)熱板進(jìn)行裝配，使各緊固螺釘?shù)呐ぞ刂禐镸n，則數(shù)字板卡與導(dǎo)熱板傳熱溫差為△T。同時(shí)，通過(guò)改變W 墊、h 墊、Mn 可調(diào)整△T，從而達(dá)到傳熱溫差的控制。
4 測(cè)試驗(yàn)證
為了驗(yàn)證接觸傳熱溫差控制效果，采用厚度為1mm 的Flextein? S80 導(dǎo)熱橡膠墊作為測(cè)試對(duì)象，裝配完成后，采用高性能紅外熱成像儀測(cè)試傳熱溫差，數(shù)據(jù)詳見(jiàn)表1。
表1 測(cè)試結(jié)果對(duì)比
5 結(jié)語(yǔ)
當(dāng)IC 芯片熱功率密度不大于8W/cm2時(shí)，采用傳熱溫差控制方法可以將實(shí)際傳熱溫差與設(shè)計(jì)值之間的偏差控制在6%以內(nèi)，從而實(shí)現(xiàn)高精度溫度控制，誤差隨熱功率密度增大而增大，在星載電子設(shè)備散熱、激光器溫度控制及其他對(duì)溫度控制要求較高的場(chǎng)景具有重要意義。
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謝明君，李姣姣
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隨著大規(guī)模集成電路的高速發(fā)展，數(shù)字IC 芯片的發(fā)熱量隨集成度的提高而迅速增加，溫度控制技術(shù)和散熱技術(shù)已經(jīng)成為制約IC 芯片進(jìn)一步發(fā)展和可靠性的重要因素。接觸傳熱溫差是由于接觸面之間無(wú)法100%良好貼合而產(chǎn)生接觸熱阻所造成的，是造成電子設(shè)備溫度過(guò)高的重要因素之一，目前還沒(méi)有令人滿意的理論模型或可靠的經(jīng)驗(yàn)公式可以預(yù)測(cè)各種狀況下的接觸熱阻。尤其是在星載環(huán)境條件下，由于缺少空氣的對(duì)流與傳導(dǎo)，接觸面?zhèn)鳠釡夭畹母呔瓤刂埔呀?jīng)成為星載熱控系統(tǒng)的關(guān)鍵問(wèn)題之一。
1 數(shù)字板卡接觸傳熱問(wèn)題概述
當(dāng)前數(shù)字板卡散熱常采用一整塊與印制板尺寸相同或接近的金屬導(dǎo)熱板輔助散熱，數(shù)字板卡上多個(gè)IC 芯片的熱量主要通過(guò)熱傳導(dǎo)傳遞給導(dǎo)熱板，由導(dǎo)熱板再通過(guò)風(fēng)冷或液冷的形式傳遞給熱沉。為了契合數(shù)字板卡上多個(gè)不同IC 芯片的高度，導(dǎo)熱板與芯片貼合的一面常加工成高低不同的凸臺(tái)的形式，同時(shí)，為了補(bǔ)償由于導(dǎo)熱板機(jī)加工誤差以及降低安裝應(yīng)力，在IC 芯片與導(dǎo)熱板之間常添加柔性導(dǎo)熱墊。柔性導(dǎo)熱墊作為熱界面材料，一般以硅橡膠為主，具備一定彈性和可壓縮性。IC 芯片絕大部分熱量是通過(guò)與導(dǎo)熱板之間熱傳導(dǎo)傳遞出去的，兩者的接觸傳熱必然產(chǎn)生傳熱溫差，對(duì)于降低芯片溫度而言，要求盡可能低的降低傳熱溫差。對(duì)于芯片的高精度溫度控制而言，要求傳熱溫差的實(shí)際值盡可能與設(shè)計(jì)值接近。由接觸熱阻相關(guān)理論得知：傳熱溫差與兩者之間的接觸熱阻以及接觸面?zhèn)鬟f的熱功率相關(guān)，IC 芯片熱功率是定值，熱沉的溫度是一定的，控制接觸面接觸熱阻即可實(shí)現(xiàn)傳熱溫差控制以及在一定程度上控制芯片溫度（圖1）。
圖1 數(shù)字板卡爆炸圖
2 當(dāng)前問(wèn)題
接觸面的接觸熱阻與接觸面的平面度、粗糙度、導(dǎo)熱墊的熱導(dǎo)率、壓縮量以及接觸面的壓力有關(guān)。數(shù)字板卡IC 芯片實(shí)際高度受到芯片回流焊接過(guò)程參數(shù)的影響，焊球融化的程度影響其實(shí)際高度，因此，必須待焊接完成后實(shí)際測(cè)量，目前常采用游標(biāo)卡尺作為測(cè)量工具，容易劃傷印制板而測(cè)量不準(zhǔn)確；導(dǎo)熱墊說(shuō)明書提供的熱阻數(shù)據(jù)為導(dǎo)熱墊材料本身的熱阻R 墊，并未考慮導(dǎo)熱墊與發(fā)熱器件以及散熱器之間接觸面空氣間隙產(chǎn)生的熱阻，在高精度傳熱控制中是無(wú)法直接通過(guò)其得出接觸面總的接觸熱阻R 的。此外，數(shù)字板卡與導(dǎo)熱板之間的緊固連接形式和程度影響兩者之間的接觸壓力，進(jìn)而對(duì)傳熱溫差造成影響。常用的IC 芯片尺寸一般在45mm×45mm 之內(nèi)，在此尺寸范圍內(nèi)加工精度一般都能保證較好的平面度，因此，對(duì)于數(shù)字板卡與導(dǎo)熱板接觸傳熱平面度影響較小，在此忽略不計(jì)。
3 傳熱溫差控制方法
為了實(shí)現(xiàn)數(shù)字板卡接觸傳熱的高精度設(shè)計(jì)，提出了一種接觸界面?zhèn)鳠釡夭羁刂品椒?，控制流程圖如圖2 所示。
圖2 接觸界面?zhèn)鳠釡夭羁刂屏鞒虉D
（1）若傳熱溫差要求控制為△T，將數(shù)字板卡水平放置并固定，以印制板上表面A 為IC 芯片高度的原點(diǎn)，采用派姆特科技（蘇州）有限公司的PMT ARM 便攜測(cè)量機(jī)依次測(cè)量數(shù)字板卡上各IC 高度Yi。
（2）對(duì)導(dǎo)熱墊進(jìn)行初步選型，根據(jù)傳熱溫差要求△T、導(dǎo)熱墊熱阻值R 墊、初步選定導(dǎo)熱墊的產(chǎn)品型號(hào)和厚度h 墊。
（3）在DSL-Ⅲ導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試儀上，將上熱流計(jì)下表面粗糙度設(shè)定為與導(dǎo)熱板凸臺(tái)相同，下熱流計(jì)表面粗糙度設(shè)定為與IC 芯片相同，將導(dǎo)熱墊放置在上下熱流計(jì)之間，施加加熱功率與IC 熱功率相等，施加并改變接觸面壓力，直至接觸面?zhèn)鳠釡夭钆c△T 相等，記錄接觸面的壓力為P，根據(jù)導(dǎo)熱墊說(shuō)明書提供的壓縮量-壓力變化曲線讀取導(dǎo)熱墊壓縮量為h 壓，若持續(xù)升高接觸面壓力但接觸面溫差仍大于△T，則重復(fù)步驟2～3，對(duì)導(dǎo)熱墊從新選型直至滿足△T 要求。
（4）進(jìn)行導(dǎo)熱板設(shè)計(jì)，如圖3 所示，各對(duì)應(yīng)凸臺(tái)高度H 凸i=H-H 板-Yi-（h 墊-h 壓），設(shè)計(jì)導(dǎo)熱板與印制板之間緊固螺釘位置，一般采用n 點(diǎn)固定，n 不小于6。
圖3 印制板與導(dǎo)熱板尺寸位置關(guān)系圖
（5）加工導(dǎo)熱板，導(dǎo)熱板材料一般為鋁合金。
（6）在扭矩-壓力試驗(yàn)測(cè)試平臺(tái)上（圖4），數(shù)字板卡IC 芯片與導(dǎo)熱板凸臺(tái)之間安裝壓力傳感器(斯巴拓SBT674)，采用扭矩扳手(MAGTA 28111)對(duì)緊固螺釘進(jìn)行緊固，當(dāng)壓力傳感器讀數(shù)與P 相等時(shí)，記錄各緊固螺釘扭矩值Mn。
圖4 扭矩-壓力試驗(yàn)測(cè)試平臺(tái)
（7）數(shù)字板卡導(dǎo)熱墊導(dǎo)熱板進(jìn)行裝配，使各緊固螺釘?shù)呐ぞ刂禐镸n，則數(shù)字板卡與導(dǎo)熱板傳熱溫差為△T。同時(shí)，通過(guò)改變W 墊、h 墊、Mn 可調(diào)整△T，從而達(dá)到傳熱溫差的控制。
4 測(cè)試驗(yàn)證
為了驗(yàn)證接觸傳熱溫差控制效果，采用厚度為1mm 的Flextein? S80 導(dǎo)熱橡膠墊作為測(cè)試對(duì)象，裝配完成后，采用高性能紅外熱成像儀測(cè)試傳熱溫差，數(shù)據(jù)詳見(jiàn)表1。
表1 測(cè)試結(jié)果對(duì)比
5 結(jié)語(yǔ)
當(dāng)IC 芯片熱功率密度不大于8W/cm2時(shí)，采用傳熱溫差控制方法可以將實(shí)際傳熱溫差與設(shè)計(jì)值之間的偏差控制在6%以內(nèi)，從而實(shí)現(xiàn)高精度溫度控制，誤差隨熱功率密度增大而增大，在星載電子設(shè)備散熱、激光器溫度控制及其他對(duì)溫度控制要求較高的場(chǎng)景具有重要意義。
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