接触热阻在加固计算机热设计中的分析研究

李风新

（中国电子科技集团公司第十五研究所系统九部，北京 100083）

0 引言

在加固计算机热设计结构中，都存在一种热传导结构用于连接机箱内部热源和外界热沉，再通过不同散热方式，使得热源热量通过热传导结构快速传至热沉，实现设备内部热源散热过程。

加固计算机机箱内部典型热传导路径为：热源→冷板（导热板）→散热器（机箱壳体）→外界热沉，在每一段导热路径中都存在导热接触面，其中有的是芯片和结构件之间接触，有的是结构件和结构件之间的接触，这种导热接触面一般通过螺钉紧固方式配合在一起，典型导热接触面是芯片发热面和冷板之间的接触面。受材料、加工、外界环境及芯片特性等方面的制约因素，这种导热接触面不可能实现理想情况下的完全接触，接触面间的导热系数远低于两侧材料的导热系数，在热接触面形成了较大温差，从而产生了一个附加热阻，这种附加热阻叫做接触热阻[1]。

在加固计算机的热设计中，不可避免地要面对如何降低各级接触热阻的问题。有效地降低接触热阻、提高热传导结构的导热效率、缩小热源和热沉之间的温度梯度，是热设计的重要内容。

1 机理分析

在加固计算机结构设计中，通常经紧固螺钉和结构附件，将PCB板安装在冷板或是机箱底板上，从而使得芯片和冷板（或散热器）之间紧密贴合。这种导热贴合面属于固体接触，受芯片和结构件的材料构成、加工精度等原因，这种导热接触面在微观上并非紧密贴合，而是由一些点接触，在接触点之间的间隙内充斥着空气。传统的观点认为由于两接触表面的实际接触面积只占名义接触面积的0.01%～0.1%，即使两界面接触压力达到10 MPa，实际接触面积也仅占名义接触面积的1%～2%[2-4]。这种导热接触面之间的热流量是通过接触点的导热和间隙介质的换热进行传递的，也就是说，热界面接触热阻由接触点导热热阻和间隙介质导热热阻构成，如图1所示。

图1 热接触面的热流示意图

由于间隙介质中一般为干空气，其导热系数极低，在热接触面形成了较大的接触热阻[5-7]，难以实现芯片的导热需求。并且受材料加工、表面处理、结构装配等因素的影响，此接触热阻不可避免，只能尽量减小，以保证实现芯片的导热需求。

2 影响因素

影响接触热阻大小的因素涉及几何、热、机械等诸多方面，每个方面对接触热阻的影响程度也不尽相同，需要具体结构具体分析，在可实现性方面，最大程度地降低接触热阻。影响接触热阻的主要因素包括：1）接触表面接触点的数量、形状、大小及分布规律；2）接触表面的几何形状（平面度和粗糙度）；3）非接触间隙的平均厚度；4）间隙中介质的种类（真空、液体、气体等）；5）接触表面的硬度；6）接触表面之间的接触压力；7）接触界面表面的清洁度；8）接触界面表面的机械处理方式；9）接触材料的导热系数；10）热流方向；11）接触材料温度。

3 解决方法

针对影响接触热阻的各种因素，依据工程经验，常采用的措施及解决办法如下。

1）针对接触表面的几何形状。吸热端为单一整平面，每个发热面对应设置一个吸热端面；必须做到吸热端的接触面积大于发热端的散热面积，并且保证两侧端面几何中心对称，通常在结构空间允许情况下，吸热端的面积大于发热端面积10%～20%[8]。

2）针对接触表面的平面度和粗糙度。对于有导热需求表面的加工精度要求中，接触面平整度不低于15 μm，表面粗糙度不低于3.0 μm。经工程验证，表面平整度越高越好，但考虑加工成本和接触面大小，平整度15 μm能够满足热接触面的导热需求。不少文献中通过实验测试，分析了表面粗糙度对接触热阻的影响，当表面粗糙度高于3.0 μm时，在相同的接触压力下，接触表面的粗糙度大小对接触热阻的影响趋于平稳，所以，考虑到加工精度问题，对导热接触面的粗糙度要求为0.8～1.6 μm之间即可[9]。

3）非接触间隙的平均厚度。此因素应包含2个层面：a.存在接触点的情况下，对非接触间隙的平均厚度要求，通常此方面是通过增加接触面间压力，提高接触面平整度和粗糙度的方式降低非接触面厚度的，此厚度值越小越好；b.不存在接触点的情况下，非接触间隙的平均厚度要求，此方面问题需要结合间隙内填充的导热介质厚度考虑，原则上是越小越好，但通常不小于0.25 mm，从而使得间隙内的填充导热介质厚度在0.5 mm的情况下，导热介质的压缩量不超过50%[10-12]。

4）间隙中介质的种类（真空、液体、气体等）。在工程应用中，通常在发热面和导热面之间设置一定的间隙用于填充导热介质，通过导热介质与两侧导热面的紧密接触，实现间隙中的热传导，由于导热介质的导热系数会远大于接触间隙（一般为空气）的导热系数，所以通过在接触导热面填充导热介质的方式可有效降低接触热阻，提高热传导效率[13]。目前应用较多的导热介质包括导热衬垫、相变导热膏、铟箔等。

5）接触表面的硬度。由于热设计中改变不了芯片表面的硬度，主要还是考虑芯片一级导热结构所用材质的硬度参数，原则上是硬度小的接触热阻也小，但在芯片一级导热中，工程中常用的材料为铜和铝，虽然纯铜的硬度稍高于纯铝，但铜的导热系数远高于铝，所以，一般在热源的一级导热结构中，应用铜材质的导热性能要优于铝[14]。

6）接触表面之间的接触压力。在对接触压力对接触热阻的影响实验研究中发现，当2个接触面之间的压力在2 MPa以内时，接触热阻随热接触面间的压力增大而减小，当接触面间的压力大于2 MPa时，接触热阻随热接触面间的压力的增大变化不明显。在加固计算机热设计中面临的接触热阻，多数情况是芯片热源和导热结构之间的接触热阻，此接触面在考虑接触压力的同时，还需要考虑芯片和PCB板卡的耐压程度，须保证在芯片和PCB板所承受范围内才可以[15]。

7）接触界面表面的清洁度。为了降低接触热阻，须保证接触面具有足够好的清洁度，表面越干净，清洁度越好，接触热阻越小，在接触间隙中填充的导热介质也容易与表面实现紧密黏贴。

8）接触界面表面的机械处理方式。在金属接触表面镀上导热系数大、伸展性好的金属，如金、锡等，在保证一定镀层厚度的同时，可明显改善接触热阻[16]。在工程应用中，常采用铝或铜材质构成热传导结构，铜的表面处理方式为酸洗或镀镍，二者对接触热阻的影响几乎相同；铝的表面处理方式多是阳极氧化和硬质阳极氧化，其中阳极氧化处理后的接触热阻要小于硬质阳极氧化，但硬质阳极氧化后的表面硬度较好，可适用于对接触热阻不明感但须经常拆卸的结构中。

9）接触材料的导热系数。接触材料的导热系数越大，在接触面间形成的温度差越小，接触热阻越小。

10）热流方向。经实验研究发现，热流方向由导热系数小的材质到导热系数大的材质，其接触热阻比反方向的接触热阻小。

11）接触材料温度。接触热阻与温度成非线性关系,随着接触表面温度的增大,接触热阻呈非线性减小[17-18]。

4 导热介质

在加固计算机热设计中，通常降低芯片和结构件之间接触热阻的措施是在接触间隙处填充导热介质，由于导热介质具备良好的导热性能，从而实现导热通路的连通性。在导热结构之间通常采用焊接工艺降低导热接触面间的接触热阻，在有需要拆装或是独立插板的结构模块，采用拼装结构。这种拼装结构通常指的是独立板卡模块和机箱之间的连接结构，这种结构紧固措施包括螺钉紧固或楔形导轨紧固方式，经实验验证和工程应用，楔形导轨紧固方式中接触界面的接触热阻低于螺钉紧固方式。

填充在芯片和结构件之间的导热介质包括相变导热膏、导热衬垫、石墨、铟箔和热管等导热材料，这些导热介质在结构构成、物理特性、导热性能方面各有不同，须依据具体热设计结构，选用合适的导热介质。

4.1 相变导热膏

相变导热膏是一种高性能导热相变材料，在转变温度50 ℃左右时变软流动，填充到器件的微小不规则表面上，可以有效地浸润两侧接触界面，形成很好的连接，从而产生极低的接触热阻。

相变导热膏在常温状态下可以是黏稠膏状或固态薄片状，薄片厚度分为0.076 mm、0.125 mm和0.2 mm等规格，外形大小可依据实际应用情况剪裁，黏贴在散热器的吸热端面，其自然黏性保证产品不会从散热器表面脱离，便于使用和组装。

相变导热膏在达到相变点后会形成黏度极低的流动态，因此在填充导热结构中，相变化后无法形成一定的厚度，必须使用在没有设计间隙的导热结构中，也就是理论上零对零的导热接触，用来弥补表面粗糙度和公差带来的接触热阻。

在弹性接触的芯片和导热结构之间、不同导热结构件拼装接触面之间应用相变导热膏效果较好，因为这种配合结构为无接触间隙设计，并且在接触面有一定的接触压力，应用相变导热膏后的热传导性能较好，其它结构不适用相变导热膏。

相变导热膏可替换导热硅脂的应用场合，并避免出现导热硅脂随外界环境变化产生干裂的现象。常用的相变导热膏为乐泰TCP4000，相变导热片为Laird T-pcm583，如图2所示。

图2 相变导热材料

4.2 导热衬垫

导热衬垫是导热颗粒均匀填充在聚合物基体中，整个材料是各项同性，具有非常优异的导热性能，能够满足高功率发热元器件的散热需求，材料具备低硬度的特性，保证产品在使用中不会对发热器件和PCB板卡造成额外的应力，从而损坏器件。

导热衬垫具备高压缩特性，在低压力下具备更低的导热热阻，并在压缩变形后具备稳定的导热性能。导热衬垫自带黏性，不需要带胶，能够很好地贴合元器件表面和金属导热面，不易脱离，便于组装和重复使用。常用的导热衬垫厚度为0.50、1.00、1.78、2.00 mm，外形大小和金属吸热端相同，由于导热衬垫具有电绝缘性，因此不用考虑导热衬垫与非发热面器件接触造成电短路问题。

导热衬垫的推荐压缩变形量在30%左右，最大不超过50%。导热衬垫的变形量可以很好地弥补金属导热面加工的平整度、粗糙度和装配公差，实现与接触界面两侧端面的可靠连接，并且不影响其自身导热性能。导热衬垫适用于存在细小间隙的导热设计结构中，并且间隙尺寸和导热衬垫厚度相对应，使得导热衬垫既存在合适的压缩变形量，又不至于造成导热衬垫受过渡挤压而产生断裂，因为断裂后的导热衬垫不但不能有效导热，反而会增大界面接触热阻。

导热衬垫适用于发热元器件和导热冷板（散热器）之间的一级导热结构中，所以，导热衬垫的导热性能直接影响到整个热设计结构的散热性能。导热衬垫可应用在-45～+200 ℃环境中。

导热衬垫的性能指标为导热系数，经验证，当热源为50 W，导热衬垫的导热系数提高50%，冷板散热器和机箱散热结构不变的情况下，热源温度可降低5 ℃。所以，要获得较好的散热效果，须选用导热系数较高的产品。目前，应用比较多的是Laird的T-flex700导热衬垫，其导热系数为5 W/（m·K），南京艾科美ATP系列导热垫的导热效果比较优异，目前应用较多的是ATP240-T050产品，导热系数为8 W/（m·K），应用在高热源CPU的发热接触面。目前市场上导热衬垫的导热系数最大为15 W/（m·K）左右，不同厂家对其标注值略有差异，实际应用中须验证测试其性能后再实际应用。导热衬垫的外观结构如图3所示。

图3 导热衬垫材料

4.3 石墨

导热石墨片是一种导热导电材料，由石墨构成，按照工艺的不同分为人工石墨片和天然石墨片。天然石墨片是由石墨矿材为原材料，经过化学处理和去除杂质后，通过压合的方式形成不同厚度的片材。材料具备一定的结晶度，导热系数可以达到140 W/（m·K）。具有非常高的性价比。

人工合成石墨采用有机物聚酯膜作为原材料，经过高温烧结而成。具有高结晶度，产品导热率极高，在水平方向导热系数最高达1800 W/（m·K），远高于金属铝、铜及天然石墨的导热能力。人工合成石墨在纵向导热系数约为15 W/（m·K），可以与其它导热介质材料比拟，并具备优异的耐温性和可靠性。

石墨材料柔软，通常呈卷材状，依据实际应用外形剪裁。导热石墨片具备非常好的热扩散性，在水平方向具有极高的导热系数，并且热传导速度快，可以将点热源的热量快速扩展到整个平面，从而加大了散热面积。因此在热设计结构中，可以利用石墨的热扩散性将热量快速均匀分散，再结合其它导热介质的垂向热传导功能，实现热源的散热设计。

石墨片的厚度分别为0.017、0.025、0.040、0.130 mm，材料厚度极薄，通常应用于无设计间隙的导热接触面，实现快速散热、均热作用。经工程验证测试，石墨片不能多层叠片导热，其导热效果低于导热衬垫的导热性能。石墨片结构外观如图4所示。

图4 导热石墨片

4.4 铟箔

铟箔是一种低熔点金属的超薄导热材料，具有较高导热性、极佳的延展性及相变化的特点，可以极大地改善接触热阻，并依据具体应用尺寸进行剪裁。

铟箔具有很好的冷熔接性，不容易氧化，导热系数高达86 W/（m·K），适用于对界面导热具有极高要求的应用场合。

铟箔的熔点在156.7 ℃，在加固计算机热设计中，不用考虑其高温熔化的问题。铟箔厚度分为0.3、0.5、1.0、2.0 mm等，受到较小压力时，热阻比较均匀，随着接触压力的增大热阻越小，所以，铟箔适用于在接触面可施加一定正压力的导热结构中。

由于铟箔属于金属导热介质，其具备导电性，在有绝缘要求的导热接触面不适用填充铟箔。工程验证测试，在其余导热结构保持不变情况下，热源热功耗为150 W，单独将热源处导热系数为8 W/（m·K）的导热衬垫替换为同厚度规格的铟箔，热源温度降低3 ℃。铟箔结构外观如图5所示。

图5 铟箔

4.5 其它

除了上面介绍的典型导热介质，还有导热凝胶、导热绝缘片、导热胶带、导热导电胶、导热塑料等产品用于解决接触热阻问题，需依据不同导热结构、应用场合、工作环境、结构安装等因素综合考虑。

4.6 小结

不同导热介质的应用场合应依据自身特点和整机热设计结构综合考量，选用合适的导热填充介质降低导热接触面的接触热阻，如果使用不当，不但解决不了接触热阻问题，还可能带来其他的质量问题。各导热介质应用情况如表1所示。

表1 导热介质应用汇总表

5 结语

通常在芯片发热面填充相变导热膏和导热衬垫的方式降低其热接触面的接触热阻，各有优劣：相变导热膏的导热系数虽然低于导热衬垫，但相变导热膏厚度极小，其导热效率好于导热衬垫；导热衬垫不需要在接触面间存在正压力，依靠导热衬垫的自身形变产生的压力，实现芯片和导热结构的紧密连接，应用导热衬垫对芯片和板卡的保护性较好。由于石墨自身特性，不适宜用于垂向导热，可用于平面散热和均热。铟箔的导热系数虽然高，但其属于金属材质，并且需要有足够的正压力才能发挥其较高的导热性能。所以，在实际应用中，须具体问题具体分析，选用合适的导热介质降低接触热阻，提升整机的散热性能。以上内容均具有工程应用实例，在加固计算机降低接触热阻设计中具有借鉴和指导价值。