接触热阻在电子设备热仿真的影响

摘要：在自然散热的电子设备热仿真设计中，往往忽略了机箱导轨与模块冷板之间的接触热阻。文中通过不完全贴合接触面热阻预计模型对电子设备内导轨和冷板之间的热阻值进行计算，然后在热仿真分析中添加该接触热阻值，通过对比测试板上温度、传统仿真温度值、试验测试温度值进行对比，进而分析接触热阻对电子设备热仿真的影响情况。

关键字：接触热阻;不完全贴合;热仿真;自然散热

引言

在自然散热的电子设备散热过程中，主要热传递路径为：元器件印制板支撑架（模块壳体）导轨箱体机箱周围空气冷却，热量传递过程热阻包括传导热阻和界面接触热阻[1]。由于这些接触的表面很难完全贴合或理想光滑，因此结构件之间热传导必然存在接触热阻。自然散热电子设备内结构件接触的间隙中存有空气[2]。由于在温度低于700K的环境下，辐射换热可以忽略。并且自然散热电子设备内气体介质的流动较小，间隙内的热传导主要以空气的传导换热。因此，接触界面之间的热传导主要依靠微小接触面之间的实体热传导和间隙气体介质的传导[3]。研究表明，对界面接触热阻的产生的影响因素较多，主要有结构件材料的热参数，间隙间介质的热参数，气压（环境压力），接触表面特征参数，加载压力，材料微硬度等[4]。本文通过采用不完全贴合接触面的热阻计算模型对接触界面热阻进行分析，然后将热阻值考虑到电子设备的热仿真分析中，对电子设备结构的热仿真进行补充完善，提高电子设备热设计和分析的精确性。

1机箱导轨及模块冷板间接触热阻的计算分析

自然散热的标准电子设备内，各模块主要通过锁紧块固定安装在箱体导轨内，典型安装结构图如图1所示。模块上芯片热流除了部分自然散热，大部分通过模块冷板与机箱导轨接触面将热量导到机箱箱体上，进而将热量传递到周围环境中。不完全贴合接触面的接触热阻Rj主要由微接触热阻Rs、宏接触热阻RL、微间隙热阻Rg、宏间隙热阻RG[5]，具体计算分析模型如下：其中:c1,c2为接触材料的维氏微硬度系数；F为预紧力；aL为界面接触的实际接触半径；bL为接触面总外径；Y为接触面间平均距离；M为空气参数；D为宏间隙间距；kg为空气热导率。针对采用铝合金材料的模块冷板和机箱结构，并且锁紧块产生的压力大小为550N。铝合金材料的维氏微硬度系数及弹性模量、热导率、空气等相关系数为：c1=1.09GPa，c2=0.008,kg=0.026W/（m•K），v1=v2=0.33，T=300K，Mg=29，Ms=27，ks=179W/（m•K），E1=E2=71GPa,Pr=0.703,CP=1.007g/（J•K）,CV=0.72g/（J•K）,Λ=6.25×10-9。通过不完全贴合接触热阻计算模型分析得室温下模块与导轨之间的接触热阻大小为Rj=0.0002273K•m2/W；并依据稳态热导率测试标准ASTMD5470对相同结构的接触热阻测量得Rj=0.000246K•m2/W；可见，采用不完全贴合面理论分析模型对模块与导轨接触热阻具有一定的准确性，误差仅为7%左右。

2电子设备热仿真对比分析

为了进一步分析接触热阻对热仿真分析准确度的影响，针对自然散热电子设备结构进行热仿真分析。整机结构模型如图2所示。在该电子设备整机热仿真过程中，考虑导轨和模型的接触界面的热阻值，将仿真结果与实测值、无接触热阻值进行对比分析。仿真结果如表2所示。由表1可知，在该自然散热电子设备结构中，充分考虑导轨与模块接触面的接触热阻值后可使得仿真精度提高近5%左右。在考虑接触热阻后，热仿真结果能控制在10%左右，因此，在电子设备热仿真分析过程中，热传递途径上的界面接触热阻应当充分考虑进去。

3结论

本文针对电子设备内热传递过程中的固体界面接触热阻进行研究分析，首先采用非完全贴合接触热阻预计模型对产品热传导部位的接触热阻值进行计算分析，并用测试试验验证了该理论模型的准确度。然后将理论分析接触热阻值带入电子设备的热仿真分析中，并与实测值、无接触热阻情况进行对比分析，从对比分析结果可知，接触热阻对热仿真结果具有较大影响，对于热传递过程中的接触热阻必须进行较好的分析，才能保证电子设备热设计的准确性。本文为电子设备内的接触热阻预计方法提供了可靠的理论分析模型，并且论证了接触热阻分析的重要性。

作者：董进喜 张娅妮 振岳 刘冰野 单位：中航工业西安航空计算技术研究所