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功率电子器件界面热阻和接触热阻是如何测量的?随着微电子技术的发展，电子芯片不断的趋向于小型化、集成化，热量通常被认为是电子系统前进发展的限制性因素，在电子设备热设计领域，热量的积累，温度上升过高对器件的寿命和可靠性都会产生非常不利的影响。
有研究表明，当工作环境为70℃~80℃时，工作温度每提高1℃，芯片的可靠性将下降5%。
因此，对于界面热传导的研究就变得尤为重要。
在各种功率电子器件中，电子器件产生的热量由内而外的传递需要经过数层接触面，不同材料相互接触时会产生界面，界面对热流有阻碍作用, 而界面热阻的概念亦即运用于此。
界面热阻的精准测量也是在集成电路设计时选择热界面材料重要因素——当热量流经接触界面时，将产生一个间断的温度差∆T，根据傅里叶定律，界面热阻Rimp可表述为：Rimp=(T1T2)/Q。
其中，Rimp为界面热阻，T2为上接触部件的界面温度，T1为下接触部件的界面温度，Q为通过接触界面的热流通量。
这里展示一个典型封装结构：在热量由芯片传递至散热器的过程中，需要经过多个固固界面。
当两个部件之间进行接触传热时，由于固体表面从微观上粗糙不平，部件之间实际上是通过离散的接触点进行接触传热的，有研究表明，这之间的实际接触面积不到部件对应表面积的3%，因而产生了非常高的界面热阻。
当界面填充有TIM时，增加了实际的接触面积，界面热阻的数值也随之减少。
界面热阻包括接触热阻和导热热阻两部分，各类热阻的关联如下图所示：那么界面热阻和接触热阻是怎么样测量的呢?在实际应用中，为了充分表征热界面材料的导热能力，材料本身的导热率和热阻的准确测量是必须的。
其实，界面热阻的测量非常简单，目前业内常用于热阻测试的标准为ASTM D5470，根据上面提到的傅里叶公式Rimp=(T1T2)/Q，常用的测试设备可以直接或间接测得上下界面的温度和流经的热通量，进而得到材料的表观界面热阻。
而由界面热阻引申而来，可以进一步得到接触热阻和导热系数：Rimp=1/λS*L+Rcon。
Flotherm中的接触热阻的设置与验证相信大家在使用Flotherm时都会碰到如何设置固体与固体之间的接触热阻的问题，软件对此也给出了非常方便的设置。
下面给出了设置的过程与验证结果。
首先以软件自带的Tutorial 1作为研究对象，然后分别对模型中的Large Plate 和Heated Block取Monitor（位于对象的中心）。
测量Heated Block的尺寸，Length=40mm，后面将会用到该参数。
对模型不做任何更改，直接进行计算。
下图是模型的表面温度云图，从Table 里可以知道Monitor的最终温度值。
THeated-Block=78.8552, TLarge-Plate=77.9205接下来，开始设置接触热阻。
对Heated Block进行Surface操作，在Surface Finish对话框中新建一个Surface属性22，然后在Surface Attribute里的Rsur-solid 中进行设置。
这里，希望在Heated Block和Large Plate之间的添加一个1°C/W的接触热阻，而Rsur-solid的单位是Km^2/W，其实就是(K/W)×(m^2)，即所需热阻值与接触面的面积。
前面知道，Heated Block是一个边长为40mm的正方形，面积即为0.0016m^2，所以，这里需要输入的值就是：1°C/W×0.0016m^2=0.0016Km^2/W。
Heated Block与Large Plate的接触面出现在Heated Block的Xo-Low面上，就需要在Surface Finish对话框中的Attachment的下拉菜单中选择Xo-Low。
设置完成后，不再对模型做任何操作，直接进行计算。
下图是模型的表面温度云图，从Table里可以知道Monitor的最终温度值。
THeated-Block=85.7831, TLarge-Plate=77.4179将仿真结果制作成下表（Heated Block的功耗为8W）：首先，这里需要澄清一些事实：热到底是如何被带走的，接触热阻到底会对什么产生影响。
---------------------------------------------------------------范文最新推荐------------------------------------------------------ 界面传热热阻实验研究摘要随着航空航天、核能、低温与微电子技术的发展，接触热阻对于传热的影响吸引了越来越多的研究者的目光。
文章主要采用实验的方法，以稳态测试法测量在不同接触材料、接触表面粗糙度、接触压力、热界面材料情况下材料的接触热阻，分析归纳实验数据与计算结果结果，定性地得到接触材料、接触表面粗糙度、接触压力、热界面材料等不同因素对于接触热阻的变化规律。
由实验测试结果，可以得到以下结论：1、固固接触界面热阻是普遍存在的，且对于传热有着不可忽视的影响；2、随着接触压力的逐渐增大，接触热阻逐渐减小。
这种减小是非线性的，接触压力越大，减小的幅度越小；3、接触热阻的滞后效应是存在的，即对试件进行加载与卸载不同操作时，相同压力的情况下，卸载时的接触热阻小于加载时的，加载历史对于接触热阻的影响是不可忽视的；4、在固固接触界面之间添加1 / 7导热性能优良的热界面材料，能够有效地降低接触热阻的值，对于导热性能的提升具有显著的作用。
9198关键词接触热阻稳态测试法接触压力热界面材料毕业设计说明书（论文）外文摘要TitleExperimental study of interfacial thermal resistanceAbstractWith the development of the aerospace, nuclear energy, low temperature and microelectronic technology，contact resistancehas attracted the attention of a growing number of researchers.The article mainly uses experimental methods to study the impact of different factors for the thermal contact resistance, such as materials, contact pressure, interface materials, temperature, surface roughness.Analyzed and summarized the results of experimental data and calculated results,qualitatively get variation of different factors to the contact resistance.---------------------------------------------------------------范文最新推荐------------------------------------------------------（2）我们将式中的R称为热阻，℃/W。
具有界面热阻的接触传热耦合问题的数值模拟概述说明1. 引言1.1 概述本文旨在研究具有界面热阻的接触传热耦合问题，并通过数值模拟的方式对其进行分析和探讨。
接触传热问题是工程领域中一个重要而复杂的现象，它涉及到不同物体之间的能量交换过程。
然而，在实际应用中，物体表面之间往往存在界面层，这种界面层会影响传热效果，从而引入了界面热阻。
1.2 文章结构本文共分为六个部分，每个部分都有其特定的内容目标和重点。
首先，在"引言" 部分我们将简要介绍本文的背景、目的和文章结构。
在"研究背景" 部分，我们将深入探讨接触传热耦合问题以及界面热阻的概念和影响因素。
随后，在"数值模拟方法与原理" 部分，我们将介绍所使用的有限元法以及其他相关数值模拟方法，并选择适用于接触传热耦合问题的数值模拟方法。
在"模型建立与参数设定" 部分，我们将详细描述接触界面的特性描述方法，并定义和设置界面热阻参数，同时设定初始条件和边界条件。
接下来，在"结果分析与讨论" 部分，我们将分析界面热阻对传热效果的影响并探讨参数变化对传热过程的影响。
最后，在"结论" 部分，我们将总结本文的主要发现，并展望未来可能的研究方向。
1.3 目的本研究旨在通过数值模拟方法对具有界面热阻的接触传热耦合问题进行深入探究，从而揭示不同参数变化对传热效果的影响以及界面热阻存在的必要性。
在实际工程应用中，如何准确预测并优化接触传热过程对于提高能量利用效率至关重要。
通过数值模拟方法，我们可以更好地理解和分析该问题，并为实际工程应用提供科学依据和指导。
因此，本文旨在为相关领域提供有价值的参考和指导，并推动进一步的研究与应用发展。
2. 研究背景：2.1 接触传热耦合问题简介接触传热耦合问题是指在热传导过程中存在着物体之间的接触以及由此引起的热传导现象。
在工程实践中，许多材料或设备都会涉及到接触传热耦合问题，例如机械部件的摩擦接触、电子元器件的散热等。
典型表面接触的压力接触热阻曲线测试报告一、 研究背景及目的意义两个工件相接触时，结合面在宏观上是完全接触的，但是实际情况并非如此。
由于工件加工条件的不同，实际结合面表面在微观上的是凹凸不平的，这使得两接触面只是在某些微凸峰处相互接触，而在其他部分间存在间隙，并充满媒介质。
因此，两个零件的实际接触面积远远小于宏观上的名义接触面积。
同时，结合面间隙中的媒介质导热系数一般较接触金属材料小得多。
那么在结合面处就会产生对热流的阻力，造成明显的温差，这种结合面对热流的阻力即接触热阻。
工件1工件2图1两试件接触时结合面温度分布示意图 目前，结合面接触热阻的获得方法主要有理论计算、试验测试和经验公式三种。
理论计算和经验公式是结合工件表面特征及结合面特定使用状态得到的，它们都能够比较好的解决针对特定材料的某一种接触状态下的接触热阻计算问题。
但是，理论计算和经验公式缺少一般性，同一种材料的工件在表面加工方式和使用条件发生变化时，结合面间的接触热阻也会千差万别。
试验测试是以实际工件为对象，测试其在实际的使用状态下的接触热阻，能够很好的反应结合面的实际接触状态。
有限元方法已经成为在设计阶段预测机床性能的重要手段，有限元分析结果的准确性主要取决于有限元模型和边界条件与实际的符合程度，特别是结合面的处理情况。
机床零件的材料和表面加工方式相对比较固定，通过试验的方法获得这些类型结合面接触热阻的准确值将有助于提高有限元分析的准确性。
二、 接触热阻的测试原理及装置单位面积上接触热阻的定义为/c c R t q =∆ （1）式中，c R 为单位面积上的接触热阻/2-1m W C ⋅⋅ ；c t ∆为结合面温差/°C ；q 为单位面积上的热流量/-2W m ⋅。
接触热导的定义为1/c c h R = （2）式中，c h 为结合面的接触热导/-2o -1W m C ⋅⋅。
由式子(1)中单位面积接触热阻的定义可以看到，接触热阻主要取决于结合面的温降c t ∆和通过结合面单位面积上的热量q 。
电子设备结构内界面接触热阻的影响因素分析董进喜(中航工业西安航空计算技术研究所，西安710119)摘要:针对电子设备内热传递过程中存在的接触热阻问题，充分考虑了结构件材料的热和力学性能参数、间隙介质的热参 数、气压(环境压力）、接触表面特征参数、加载压力、材料微硬度等众多因素的影响，依据非完全贴合表面的接触热阻模型进行 计算分析。
并重点分析了外界加载压力和表面粗糙度对该接触热阻值的影响，为电子设备结构的热传递优化提供理论基础。
关键字:接触热阻;非完全贴合;加载压力；表面粗糙度中图分类号:TN 602 文献标志码:A 文章编号：1002-2333(2017)08-0137-03引言随着电子设备结构的小型化和运算能力的提升，其 内部的热管理控制技术越加重要。
电子设备结构内的热 量传递和散失直接影响到电子设备内器件的温升情况， 也进而决定了电子设备的寿命和可靠性。
而在电子设备 结构内从芯片到结构件外壳的热量传递过程中，需要最 小化界面接触之间的热阻值，进而为了保证电子设备结构的散热性能。
在电子设备的热传递过程中，主要环节有元器件 >导 热条>印制板>支撑架（模块壳体)>导轨>机箱>机箱周围 空气冷却，而其中大部份环节中热量传递都存在接触热 阻[1]。
由于这些接触的表面皆不是完全贴合和理想光滑的， 因此结构件之间的热阻值主要由实体结构接触和空气填 充间隙传导组成。
典型粗糙表面接触几何特征如图1所示。
由图可知， 结构件接触的空隙中皆充满气体介质I 对于温度低于700 K 的环境下，该接触面之间的辐射热传递可以忽略。
另外， 由于两接触面之间气体介质的流动较小(低于0.01 m m )，式，多为低加载压力、以空气为间隙传导介质。
M.Bahram i 等[3]建立了针对机械结构粗糙表面的非贴合表面接触热 阻计算分析模型。
通过将两个不完全贴合粗糙表面等效 成一个弯曲粗糙表面和一个光滑表面，并且假设该粗糙表面特征符合高斯分布。
测试方法
1.样品准备
–将两个固体样品表面制备成平整光滑，并确保表面清洁无污染。
–在样品表面涂抹一定厚度的导热膏，以改善固-固界面接触热阻。
2.实验装置
–将样品夹紧在热导率测试仪中，并确保样品表面完全接触。
–在样品两侧安装温度传感器，以测量样品表面的温度。
–将样品加热到一定温度，并保持恒定温度。
3.数据采集
–记录样品表面的温度随时间的变化情况。
–计算样品的热流密度和接触热阻。
计算公式
•热流密度：
q=Q A
其中：
•q 为热流密度，单位为 W/m^2 •Q 为热量，单位为 J
• A 为样品表面积，单位为 m^2 •接触热阻：
R ct=ΔT q
其中：
R ct
为固-固界面接触热阻，单位为 K/(W/m^2)
ΔT
为样品表面的温差，单位为 K
•q 为热流密度，单位为 W/m^2
系统
高温条件下的固-固界面接触热阻测试系统主要包括以下几个部分：
•热导率测试仪：用于测量样品的热导率和接触热阻。
•温度传感器：用于测量样品表面的温度。
•加热装置：用于将样品加热到一定温度。
•数据采集系统：用于记录样品表面的温度随时间的变化情况。
注意事项
•在进行实验时，应确保样品表面完全接触，以避免产生气隙或其他缺陷。
•应选择合适的导热膏，以确保良好的固-固界面接触热阻。
•应使用合适的温度传感器，以确保准确的温度测量。
•应在稳定状态下进行实验，以确保准确的数据采集。
第31卷第1期1997年1月浙 江 大 学 学 报Jo urnal of Zhejiang U niv ersity(自然科学版)(Nat ural Scienc e )№1Vol.31Jan.1997粗糙表面接触热阻的理论和实验研究应 济 贾 昱 陈子辰 高承煜(浙江大学机械系,杭州,310027)提 要 本文分析了两固体粗糙表面接触热阻的机理,用统计数学和接触力学的方法推导出粗糙表面接触热阻的理论计算公式,并用实验进行了验证.结果表明:理论计算结果和实验结果吻合良好.关键词:粗糙表面;接触热阻中图法分类号:T K1230 引 言 机械系统中接触传热现象极为普遍.当热流通过接触面时,会受到一个由于接触而引起的附加阻力,即接触热阻.接触热阻、系统温度分布和结构热态特性之间存在着耦合的作用关系,因此研究接触热阻对深入了解机械热特性有着十分重要的意义.不仅如此,接触热阻还大量存在于其它场合,其研究和应用也就遍及这些技术领域,如微电子、核反应堆、热能开发和利用、新型材料的研究等.1 接触热阻的机理和研究现状简介任何工作表面,从亚微观角度来说总是粗糙的.当两表面相互接触时,实际上固体和固体的直接接触只能发生在一些离散的点或微小的面积上,而其余大部分则是空气或其它介质.热图1 接触面附近热流变化流经过接触面时,主要传热方式有:(一)接触固体间的热传导;(二)通过间隙介质的热传导.由于间隙介质的导热系数与固体导热系数一般相差很大,因而引起接触面附近热流发生改变(见图1),形成对热流的附加阻力,即接触热阻.当一定的热流通过接触面时,两接触表面之间会出现一个间断的温差 浙江省自然科学基金资助本文于1995年3月收到 应 济:男,1964年出生,博士后T C ,接触热阻R C 定义为 T C 和接触面上平均热流密度q 之比:R C = T C q (1) 影响接触热阻的因素很多,主要有以下几个方面:接触材料的特性参数和力学性能:接触图2 单点接触圆盘模型表面形貌特征;接触面压力;间隙介质性质等.经过几十年大量的理论和实验研究,人们逐步掌握了一些接触热阻的定量计算方法.早期的理论研究通常是在许多假定的前提下,建立计算模型并解出其温度分布,得到经验计算公式.采用的模型不同,得到的公式和计算精度也各不相同.文献[2]中采用了单点接触的圆盘模型(图2),接触热阻计算公式为:R C =A num a S f ( )(2)f ( )=1- 1.40918 +0.33801 3+0.06792 5+…(3)其中,A nnm 为名义接触面积;1 S =1 1+1 2 1, 2为接触材料热导率 =a b; →0 其后,人们又提出了其它接触热阻计算模型,通过迭代或直接插值等方法求解各种类型的接触传热问题.尽管这些公式和方法对问题的解有一定的参考价值,但由于其中的参数取值难以确定,实际使用时会遇到较大的困难,而且实际问题不可能是简单的单点接触,而是表面情况和接触状态复杂得多的多点接触,所以近年来人们不断探索多点接触的理论计算方法,取得了可喜的成果[3].2 粗糙表面接触热阻的理论研究理论上计算粗糙表面的接触热阻,关键是求出给定压力下实际接触点数、接触点平均热流通道半径,再用单点接触热阻公式求得该压力下的总接触热阻.实际接触的粗糙表面,接触发生在少数离散的微凸体上,多数金属在正常压力下实际接触面积往往只占名义接触面积的很小一部分.研究表明,大多数粗糙表面的微凸体高度分布是随机的,且接近于Gauss 正态分布[4];而且,接触过程中微凸体的变形可以认为是弹性的,因为使用中的机械表面即使一部分微凸体发生了塑性变形,那么在以后的作用过程中接触面上的变形也只能是弹性的.由此,我们对计算模型作如下基本假设:(1)接触面上微凸体曲率半径相同、高度按Gauss 正态分布;(2)微凸体之间的接触是弹性的,即问题是Her tz 接触问题;(3)接触过程中没有热流损失,所有热流均通过固体间的接触传导;105第1期 应 济等:粗糙表面接触热阻的理论和实验研究 (4)在接触传热过程中接触体的各物性参数不变.根据上面的假设,粗糙表面的形貌由表面分布标准差 、微凸体峰顶曲率半径 和单位面积微凸体数目 等三个参数确定.由于廓线高度服从正态分布,其概率密度系数为:(Z )=12 e -Z 22 2(4)而光洁度测量中线是随机过程的均值线,有:R a =1e ∫∞-∞ Z (x ) (Z )d x (5)其中,Z (x )是基于中线的表面轮廓高度;R a 是轮廓算术平均偏离,它是工程上普遍采用的评定表面微观几何形状的参数之一;l 是取样长度.由此,可以得到:=2 2R a (6) 对于大多数对称表面结构,尽管有时其微凸体高度并不完全服从Gauss 正态分布,但上式仍有较好的精度.研究两个粗糙表面的接触,可简化为一个随机表面和一个刚性平面的接触[5],等效的 和 可以由下式计算:= 21+ 22(7)1 =1 1+1 2(8) 根据弹性接触理论,上述问题的接触圆半径 c 、接触力P 的表达式分别为:c = 12 12(9)P =43E ′ 12 32(10)其中,1E ′=1- 21E 1+1- 22E 2;E 1,2为接触体的弹性模量, 1, 2为泊桑比;为压入量.假设的计算模型受接触力P 后,两表面的中线由相距R Z 2变为相距Z C ,则压入量=R Z 2-Z C (11)高度大于Z C 的微凸体和平面发生接触,其概率为:P rob (Z >Z C )=∫∞Z C (z )d z (12)微凸体总数N = A num ,A num 为名义接触面积,故实际接触点数n 为:106 浙 江 大 学 学 报(自然科学版) 1997年n =P rob (Z >Z C ) A num = A num∫∞Z C (z )d z (13)热流通道的平均面积A a 和平均半径 a 为:A a =A num n =1∫∞Z C (z )d z (14) a =A a / (15) 将弹性接触问题的解和表面统计数据相结合,可得接触圆半径 ci 和接触力P 的表达式: ci = 12(R Z 2-Z C )12(16)P =43E ′ 12 A num (R Z 2-Z C )32∫∞Z C (z )d z(17) 通过上述各式,并利用单点接触热阻计算式(2)和(3),求出各接触点的平均热阻,由于各热流通道是并联关系,故有:1R C =∑n i =11R ci (18)3 接触热阻的实验研究考察一维传热模型及其稳态理论温度分布(图3),由于接触热阻的作用,在接触面上出现一个温差 T C ,根据接触热阻定义(1)和傅立叶定理,只要测出两接触体上的温度分布和 T C ,即可求得接触热阻的值. 实验测试框图和实验装置如图4、图5所示.图3 一维传热模型及温度分布 实验前先对试件预压,加载-卸载反复多次,以消除微凸体的塑性变形.然后加热加载保持载荷衡定,待传热达到稳定后测出各点温度值.用最小二乘法线性拟合试件的温度分布(图6(a)),延长到接触面上求出T C ,即可按(1)式求得该压力下的R C . 测量试件接触面上形貌特征值R a 、R Z ,得R a = 3.2 m,R Z =12.8 m ,D =60m m,利用上节的公式即可求得试件接触热阻的理论解.实验结果和理论计算结果如图6(b)所示.107第1期 应 济等:粗糙表面接触热阻的理论和实验研究 (a )试件温度分布图 (b )载荷—接触热阻关系图图6 实验测试结果和理论计算结果图4 结 论1.本文应用表面统计结果和接触力学的分析方法对粗糙表面的接触热阻进行了理论计算,得到其公式,为其定量分析提供了一条新思路;2.设计了一种简单易行而又具有较高精度的实验方法,并进行了实际测量,得到了预期的结果,从而为实际工程应用提供了一条途径;3.通过实验进一步证实了:接触面上的热阻对于系统的传热和变形都有十分重要的影响,而且其影响机理和因素极其复杂;对它的研究有待进一步深入.108 浙 江 大 学 学 报(自然科学版) 1997年参 考 文 献1M adhusudana C V ,F letcher L S.Contact Heat T ransfer -T he Last D eca de,AI AA Jour nal,1988,24(3)2G ibson R D.T he Contact Resista nce fo r a Sem i-infinite Cylinder in V acuum ,A pplied Ener g y,1976,2:57～653F letccher L S.Recent Dev elo pments in Co nta ct Heat T r ansfer ,Jour nal o f Hea t T r ansfer ,1988,1104托马斯T R.主编,周广仁等译.粗糙表面—测量、表征及其应用,杭州:浙江大学出版社,19875G reem voo d J A ,W illiamson J B P.Contact o f N ominally F lat Sur faces,Pr oc.Ro y.So c.,1966,A 2956袁长良等编著.表面粗糙度及其测量,北京:机械工业出版社,19897皇甫哲.金属接触面传热热阻研究.[学位论文].西安:西安交通大学,1989T heoretical and ex perimental research on the ontact thermal resistance betw een real surfaceY ing Ji Jia Yu Chen Zichen G ao Chenyu(Dept.o f M echanicd Eng inner ing ,Zhejiang U niver sity ,Hang zhou,310027)Abstract T he contact thermal resistance of the r eal surface is proposed,Theoretical form ulations hav e been put to gcther w ith statistic and mechanical characterizatio n and adapted to ex per-mental results .It can be applied to heat transfer through contact .Key words :real surfaces;contact therm al resistance.109第1期 应 济等:粗糙表面接触热阻的理论和实验研究 。
热界面材料热导率和接触热阻的测试袁超;段斌;李岚;罗小兵【摘要】热界面材料通常用于降低电子器件中固体界面的热阻.热界面材料的性质,如热导率、界面材料与固体表面间的接触热阻,对于电子器件的散热分析非常重要.然而,这些参数通常难以获得.依据ASTM D-5470测试标准,搭建了一个热界面测试系统.通过该系统测试了硅油和导热硅脂的热导率,以及它们与固体基板间的接触热阻.经分析,测试热导率和接触热阻的相对误差分别小于11.3%和41.3%.%Thermal interface materials (TIMs) are generally used to reduce the thermal resistance between contacting surfaces in electronic devices. The thermal properties of these materials, such as thermal conductivity (kTIM) and contact resistance (Rc) at the TIM-solid interface, are critical to the heat dissipation analysis. However, it is much difficult to obtain these data. In this paper, an experimental apparatus for TIMs thermal properties measurements is built based on ASTM test standard D-5470. Using this apparatus,kTIMand Rc of the silicone oil and thermal greases are measured, respectively. According to the error analysis, the relative errors in the measurement ofkTIMand Rc are less than 11.3% and 41.3%, respectively.【期刊名称】《化工学报》【年(卷),期】2015(066)0Z1【总页数】5页(P349-353)【关键词】测量;界面;热传导;热导率;接触热阻【作者】袁超;段斌;李岚;罗小兵【作者单位】华中科技大学能源与动力工程学院,湖北武汉 430074;华中科技大学能源与动力工程学院,湖北武汉 430074;华中科技大学能源与动力工程学院,湖北武汉 430074;华中科技大学能源与动力工程学院,湖北武汉 430074【正文语种】中文【中图分类】TK121电子器件的散热系统中存在许多固体接触界面，进而产生接触热阻。
