降低固-固界面热阻方法研究进展_宋庆松.pdf

第4 4卷第3期河 北 科 技 大 学 学 报V o l.4 4,N o.32 0 2 3年6月J o u r n a l o fH e b e iU n i v e r s i t yo fS c i e n c ea n dT e c h n o l o g yJ u n e2 0 2 3 文章编号:1 0 0 8-1 5 4 2(2 0 2 3)0 3-0 2 1 9-0 9降低固-固界面热阻方法研究进展宋庆松,彭培英,李洪涛,李鑫达(河北科技大学机械工程学院,河北石家庄 0 5 0 0 1 8)摘 要:降低固-固界面热阻法是一种高效且应用广泛的减小器件传热阻力的方法。根据固-固界面状态增加界面的有效接触,可强化界面热传导。首先,概述了固-固界面热阻的产生机理;其次,梳理了界面状态(平面接触和沟槽接触)、粗糙度、界面压力、热界面材料等固-固界面热阻影响因素的作用机制;第三,介绍了降低固-固界面热阻方法的最新进展;最后,分析了降低固-固界面热阻研究存在的问题,并对其研究前景进行了展望,提出未来应从界面结构、压力/平面度、固-固接触材料本身的物性参数、超薄黏合层热界面材料等单独或共同作用的方向上深化降低界面热阻的研究,为其在强化电子散热领域的应用提供理论和实验支持。关键词:工程传热传质学;界面结构;接触热阻;粗糙度;界面压力;热界面材料中图分类号:T K 0 1+8 文献标识码:A D O I:1 0.7 5 3 5/h b k d.2 0 2 3 y x 0 3 0 0 2 收稿日期:2 0 2 3-0 3-2 4;修回日期:2 0 2 3-0 5-0 4;责任编辑:冯 民基金项目:河北省高等学校科学技术研究项目(QN 2 0 2 2 1 6 0,Z D 2 0 2 2 0 2 3);河北省自然科学基金(B 2 0 2 1 2 0 8 0 1 7)第一作者简介:宋庆松(1 9 8 8),女,河北邢台人,讲师,博士,主要从事能源管理方面的研究。E-m a i l:q s s o n g h e b u s t.e d u.c n宋庆松,彭培英,李洪涛,等.降低固-固界面热阻方法研究进展J.河北科技大学学报,2 0 2 3,4 4(3):2 1 9-2 2 7.S ON GQ i n g s o n g,P E N GP e i y i n g,L IH o n g t a o,e t a l.R e s e a r c hp r o g r e s s o fm e t h o d s t o r e d u c e s o l i d-s o l i d c o n t a c t t h e r m a l r e s i s t a n c eJ.J o u r-n a l o fH e b e iU n i v e r s i t yo fS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y,2 0 2 3,4 4(3):2 1 9-2 2 7.R e s e a r c hp r o g r e s so fm e t h o d s t or e d u c es o l i d-s o l i dc o n t a c t t h e r m a l r e s i s t a n c eS ONGQ i n g s o n g,P E NGP e i y i n g,L IH o n g t a o,L IX i n d a(S c h o o l o fM e c h a n i c a lE n g i n e e r i n g,H e b e iU n i v e r s i t yo fS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y,S h i j i a z h u a n g,H e b e i 0 5 0 0 1 8,C h i n a)A b s t r a c t:R e d u c i n gs o l i d-s o l i d i n t e r f a c ec o n t a c t t h e r m a l r e s i s t a n c ei sa ne f f i c i e n ta n dw i d e l yu s e dm e t h o df o rr e d u c i n gh e a tt r a n s f e r r e s i s t a n c e i nd e v i c e s.I n c r e a s i n gt h ee f f e c t i v ec o n t a c to ft h ei n t e r f a c ea c c o r d i n gt ot h es o l i d-s o l i di n t e r f a c es t a t ec a ne n h a n c et h ei n t e r f a c eh e a tc o n d u c t i o n.F i r s t l y,t h e m e c h a n i s m o fs o l i d-s o l i di n t e r f a c et h e r m a lr e s i s t a n c ew a ss u mm a r i z e d.S e c o n d l y,t h em e c h a n i s mo f t h e f a c t o r sa f f e c t i n gt h es o l i d-s o l i d i n t e r f a c e t h e r m a l r e s i s t a n c ew a s i n v e s t i g a t e d,s u c ha s i n t e r f a c es t a t e(p l a n ec o n t a c ta n dg r o o v ec o n t a c t),r o u g h n e s s,i n t e r f a c ep r e s s u r e,t h e r m a l i n t e r f a c em a t e r i a l,e t c.T h i r d l y,t h el a t e s tp r o g r e s so fm e t h o d s t or e d u c et h ec o n t a c t t h e r m a l r e s i s t a n c eo fs o l i d-s o l i di n t e r f a c ew a si n t r o d u c e d.F i n a l l y,t h ep r o b l e m si nt h er e s e a r c ho f r e d u c i n gt h ec o n t a c t t h e r m a l r e s i s t a n c eo f s o l i d-s o l i d i n t e r f a c ew e r ea n a l y z e da n di t sd e v e l o p m e n tp r o s p e c tw a ss u g g e s t e da s f o l l o w i n g:f u r t h e rr e s e a r c hs h o u l db ec a r r i e do u ta l o n eo rt o g e t h e ri nt h ed i r e c t i o no ft h ei n t e r f a c es t r u c t u r e,p r e s s u r e/f l a t n e s s,p h y s i c a lp a r a m e t e r so f s o l i d-s o l i dc o n t a c tm a t e r i a l sa n dt h e r m a l i n t e r f a c em a t e r i a l sw i t hu l t r a-t h i nb o u n d a r y河 北 科 技 大 学 学 报2 0 2 3年l a y e rt h i c k n e s s,e t c.I t p r o v i d e s t h e o r e t i c a la n d e x p e r i m e n t a ls u p p o r tf o rt h e a p p l i c a t i o n i n t h e f i e l d o f e n h a n c e de l e c t r o n i cc o o l i n g.K e y w o r d s:e n g i n e e r i n g h e a ta n d m a s st r a n s f e r;i n t e r f a c es t r u c t u r e;c o n t a c tt h e r m a lr e s i s t a n c e;r o u g h n e s s;i n t e r f a c ep r e s s u r e;t h e r m a l i n t e r f a c em a t e r i a l s 随着电子器件高功率和集成化的发展,其散热问题日趋严峻,高温或高热流密度极易导致器件功能障碍,甚至影响其寿命。由于芯片和热沉的接触表面之间具有一定的空气间隙,向间隙填充热界面材料时可能出现黏合层厚度增大、热界面材料产生裂纹等情况。如何将电子器件内部产生的热量及时导出,保证设备正常运行,是固-固界面热阻研究需解决的问题。1 9世纪3 0年代,S T A R R通过实验发现铜与氧化铜的接触界面传递热量时存在阻力1。1 9世纪4 0年代,有研究人员提出试件表面可以通过粗糙体来模拟,此后许多学者对界面接触热阻问题进行了大量的实验和理论研究,国内界面接触热阻的研究始于1 9世纪8 0年代2。目前国内外有多个研究团队在进行相关研究,主要代表为美国纽约州立大学F E L S K EJ AME SD团队,华中科技大学刘胜教授团队和同济大学声子学与热能科学中心徐象繁研究员团队3-5。华中科技大学目前正在研究界面沟槽对界面接触热阻的影响,该研究重点关注了界面结构,但其对界面压力等相关因素的研究较少3。近年来,G R E E NWOO D团队等将固-固界面接触热阻研究进一步细化到界面粗糙度和压力等关键因素中,引入接触表面微凸体的模型假设,利用赫兹弹性接触理论分析试件的实际接触面积与压力载荷的关系,使界面传热机理的阐述更加明了6。在此基础上,P E NG团队又考虑了界面的弹塑性接触和加载较大压力的热流情况,所得经验公式对近期研究具有一定的指导意义7。这些成果促进了界面接触热阻的发展,但在不同界面状态下讨论界面热阻影响因素和减小方法的研究相对较少8-1 0。例如,在常规固-固平面接触情况下,填充型热界面材料易出现粒子堆积从而造成黏合层厚度增加等问题,降低了界面的散热性能。固-固界面结构对热界面材料在界面间的流动和分布有一定作用,进而会影响界面热阻。目前关于固-固界面结构接触的研究还较少,因此在界面接触状态基础上展开接触热阻的研究具有重要的现实意义。本文首先概述了固-固界面热阻的产生机理,梳理固-固界面热阻影响因素的作用机制,根据目前这些关键影响因素的研究及应用情况,重点分析了存在的问题,并对固-固界面强化传热的研究前景进行展望,为进一步降低界面接触热阻的理论和应用研究提供依据。1 固-固界面热阻产生机理概述引线塑封热沉芯片固-固界面固-固界面微观结构图1 固-固界面位置简图F i g.1 S c h e m a t i cd i a g r a mo f t h es o l