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
中國設備工程 2021年15期
謝明君，李姣姣
（中國電子科技集團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，溫度控制技術和散熱技術已經(jīng)成為制約IC 芯片進一步發(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法100%良好貼合而產(chǎn)生接觸熱阻所造成的，是造成電子設備溫度過高的重要因素之一，目前還沒有令人滿意的理論模型或可靠的經(jīng)驗公式可以預測各種狀況下的接觸熱阻。尤其是在星載環(huán)境條件下，由于缺少空氣的對流與傳導，接觸面?zhèn)鳠釡夭畹母呔瓤刂埔呀?jīng)成為星載熱控系統(tǒng)的關鍵問題之一。
1 數(shù)字板卡接觸傳熱問題概述
當前數(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熱板輔助散熱，數(shù)字板卡上多個IC 芯片的熱量主要通過熱傳導傳遞給導熱板，由導熱板再通過風冷或液冷的形式傳遞給熱沉。為了契合數(shù)字板卡上多個不同IC 芯片的高度，導熱板與芯片貼合的一面常加工成高低不同的凸臺的形式，同時，為了補償由于導熱板機加工誤差以及降低安裝應力，在IC 芯片與導熱板之間常添加柔性導熱墊。柔性導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與導熱板之間熱傳導傳遞出去的，兩者的接觸傳熱必然產(chǎn)生傳熱溫差，對于降低芯片溫度而言，要求盡可能低的降低傳熱溫差。對于芯片的高精度溫度控制而言，要求傳熱溫差的實際值盡可能與設計值接近。由接觸熱阻相關理論得知：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，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 當前問題
接觸面的接觸熱阻與接觸面的平面度、粗糙度、導熱墊的熱導率、壓縮量以及接觸面的壓力有關。數(shù)字板卡IC 芯片實際高度受到芯片回流焊接過程參數(shù)的影響，焊球融化的程度影響其實際高度，因此，必須待焊接完成后實際測量，目前常采用游標卡尺作為測量工具，容易劃傷印制板而測量不準確；導熱墊說明書提供的熱阻數(shù)據(jù)為導熱墊材料本身的熱阻R 墊，并未考慮導熱墊與發(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法直接通過其得出接觸面總的接觸熱阻R 的。此外，數(shù)字板卡與導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，進而對傳熱溫差造成影響。常用的IC 芯片尺寸一般在45mm×45mm 之內，在此尺寸范圍內加工精度一般都能保證較好的平面度，因此，對于數(shù)字板卡與導熱板接觸傳熱平面度影響較小，在此忽略不計。
3 傳熱溫差控制方法
為了實現(xiàn)數(shù)字板卡接觸傳熱的高精度設計，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，采用派姆特科技（蘇州）有限公司的PMT ARM 便攜測量機依次測量數(shù)字板卡上各IC 高度Yi。
（2）對導熱墊進行初步選型，根據(jù)傳熱溫差要求△T、導熱墊熱阻值R 墊、初步選定導熱墊的產(chǎn)品型號和厚度h 墊。
（3）在DSL-Ⅲ導熱系數(shù)測試儀上，將上熱流計下表面粗糙度設定為與導熱板凸臺相同，下熱流計表面粗糙度設定為與IC 芯片相同，將導熱墊放置在上下熱流計之間，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)導熱墊說明書提供的壓縮量-壓力變化曲線讀取導熱墊壓縮量為h 壓，若持續(xù)升高接觸面壓力但接觸面溫差仍大于△T，則重復步驟2～3，對導熱墊從新選型直至滿足△T 要求。
（4）進行導熱板設計，如圖3 所示，各對應凸臺高度H 凸i=H-H 板-Yi-（h 墊-h 壓），設計導熱板與印制板之間緊固螺釘位置，一般采用n 點固定，n 不小于6。
圖3 印制板與導熱板尺寸位置關系圖
（5）加工導熱板，導熱板材料一般為鋁合金。
（6）在扭矩-壓力試驗測試平臺上（圖4），數(shù)字板卡IC 芯片與導熱板凸臺之間安裝壓力傳感器(斯巴拓SBT674)，采用扭矩扳手(MAGTA 28111)對緊固螺釘進行緊固，當壓力傳感器讀數(shù)與P 相等時，記錄各緊固螺釘扭矩值Mn。
圖4 扭矩-壓力試驗測試平臺
（7）數(shù)字板卡導熱墊導熱板進行裝配，使各緊固螺釘?shù)呐ぞ刂禐镸n，則數(shù)字板卡與導熱板傳熱溫差為△T。同時，通過改變W 墊、h 墊、Mn 可調整△T，從而達到傳熱溫差的控制。
4 測試驗證
為了驗證接觸傳熱溫差控制效果，采用厚度為1mm 的Flextein? S80 導熱橡膠墊作為測試對象，裝配完成后，采用高性能紅外熱成像儀測試傳熱溫差，數(shù)據(jù)詳見表1。
表1 測試結果對比
5 結語
當IC 芯片熱功率密度不大于8W/cm2時，采用傳熱溫差控制方法可以將實際傳熱溫差與設計值之間的偏差控制在6%以內，從而實現(xiàn)高精度溫度控制，誤差隨熱功率密度增大而增大，在星載電子設備散熱、激光器溫度控制及其他對溫度控制要求較高的場景具有重要意義。
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1 數(shù)字板卡接觸傳熱問題概述
當前數(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熱板輔助散熱，數(shù)字板卡上多個IC 芯片的熱量主要通過熱傳導傳遞給導熱板，由導熱板再通過風冷或液冷的形式傳遞給熱沉。為了契合數(shù)字板卡上多個不同IC 芯片的高度，導熱板與芯片貼合的一面常加工成高低不同的凸臺的形式，同時，為了補償由于導熱板機加工誤差以及降低安裝應力，在IC 芯片與導熱板之間常添加柔性導熱墊。柔性導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與導熱板之間熱傳導傳遞出去的，兩者的接觸傳熱必然產(chǎn)生傳熱溫差，對于降低芯片溫度而言，要求盡可能低的降低傳熱溫差。對于芯片的高精度溫度控制而言，要求傳熱溫差的實際值盡可能與設計值接近。由接觸熱阻相關理論得知：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，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 當前問題
接觸面的接觸熱阻與接觸面的平面度、粗糙度、導熱墊的熱導率、壓縮量以及接觸面的壓力有關。數(shù)字板卡IC 芯片實際高度受到芯片回流焊接過程參數(shù)的影響，焊球融化的程度影響其實際高度，因此，必須待焊接完成后實際測量，目前常采用游標卡尺作為測量工具，容易劃傷印制板而測量不準確；導熱墊說明書提供的熱阻數(shù)據(jù)為導熱墊材料本身的熱阻R 墊，并未考慮導熱墊與發(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法直接通過其得出接觸面總的接觸熱阻R 的。此外，數(shù)字板卡與導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，進而對傳熱溫差造成影響。常用的IC 芯片尺寸一般在45mm×45mm 之內，在此尺寸范圍內加工精度一般都能保證較好的平面度，因此，對于數(shù)字板卡與導熱板接觸傳熱平面度影響較小，在此忽略不計。
3 傳熱溫差控制方法
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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，采用派姆特科技（蘇州）有限公司的PMT ARM 便攜測量機依次測量數(shù)字板卡上各IC 高度Yi。
（2）對導熱墊進行初步選型，根據(jù)傳熱溫差要求△T、導熱墊熱阻值R 墊、初步選定導熱墊的產(chǎn)品型號和厚度h 墊。
（3）在DSL-Ⅲ導熱系數(shù)測試儀上，將上熱流計下表面粗糙度設定為與導熱板凸臺相同，下熱流計表面粗糙度設定為與IC 芯片相同，將導熱墊放置在上下熱流計之間，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)導熱墊說明書提供的壓縮量-壓力變化曲線讀取導熱墊壓縮量為h 壓，若持續(xù)升高接觸面壓力但接觸面溫差仍大于△T，則重復步驟2～3，對導熱墊從新選型直至滿足△T 要求。
（4）進行導熱板設計，如圖3 所示，各對應凸臺高度H 凸i=H-H 板-Yi-（h 墊-h 壓），設計導熱板與印制板之間緊固螺釘位置，一般采用n 點固定，n 不小于6。
圖3 印制板與導熱板尺寸位置關系圖
（5）加工導熱板，導熱板材料一般為鋁合金。
（6）在扭矩-壓力試驗測試平臺上（圖4），數(shù)字板卡IC 芯片與導熱板凸臺之間安裝壓力傳感器(斯巴拓SBT674)，采用扭矩扳手(MAGTA 28111)對緊固螺釘進行緊固，當壓力傳感器讀數(shù)與P 相等時，記錄各緊固螺釘扭矩值Mn。
圖4 扭矩-壓力試驗測試平臺
（7）數(shù)字板卡導熱墊導熱板進行裝配，使各緊固螺釘?shù)呐ぞ刂禐镸n，則數(shù)字板卡與導熱板傳熱溫差為△T。同時，通過改變W 墊、h 墊、Mn 可調整△T，從而達到傳熱溫差的控制。
4 測試驗證
為了驗證接觸傳熱溫差控制效果，采用厚度為1mm 的Flextein? S80 導熱橡膠墊作為測試對象，裝配完成后，采用高性能紅外熱成像儀測試傳熱溫差，數(shù)據(jù)詳見表1。
表1 測試結果對比
5 結語
當IC 芯片熱功率密度不大于8W/cm2時，采用傳熱溫差控制方法可以將實際傳熱溫差與設計值之間的偏差控制在6%以內，從而實現(xiàn)高精度溫度控制，誤差隨熱功率密度增大而增大，在星載電子設備散熱、激光器溫度控制及其他對溫度控制要求較高的場景具有重要意義。
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