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TIM建模

什么是接触热阻?

当两个不同温度的材料接触时,两个材料的表面似乎完全直接接触在一起,但当我们放大接触部分的界面时,会发现许多材料在微米或纳米尺度具有明显的凹凸不平,两个界面事实上并不是完全接触的,如图 (a)。

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所以,表面粗糙度在接触的材料之间引入了空隙,通常其中会充满空气。气体的热导率,通常远低于常见固体材料的热导率。因此,在没有接触到的区域中热流率较小,导致界面上的热阻增加。

Grujicic 等人1研究了下面参数对界面接触热阻的影响:

  • 接触压力
  • 微硬度
  • 表面粗糙度
  • 表面粗糙度坡度

如果增加气隙处的结构应力,将减小气隙的尺寸和宽度,从而影响到热阻率。多数情况下,在气隙中还存在表面对表面的辐射,只是在很多应用中由于材料间的温差足够小。

另外,上海依阳实业有限公司测试、研究了两块接触材料的热导率随真空度的提高而下降的现象2

所以,为了减小界面热阻带来的影响,通常人们会在接触界面处填充比较柔软的导热材料,称为界面材料(TIM),如图 (b)。根据应用场景的不同,有各种性能的TIM材料以满足不同的需求。以前,TIM材料只有国外厂家能提供,现在他们的市场份额被越来越多的国内公司所替代。这个小小的界面层培养了不少上市公司,养活了多少老板和员工。

Foltherm中模拟TIM层或界面热阻的方法

在对界面热阻或TIM层建模时的FloTHERM中,用户可以采用多种方法。

  • 在接触的两个表面之间创建一个长方体(Cuboid). 定义3个方向的尺寸, 并指定合适的材料属性。这种方式的缺点是,通常由于TIM层很薄,这样会导致TIM长方体垂直方向的网格必须比较细,才能模拟导热过程。
  • 在接触的两个表面之间创建厚度为 \(t\) 的折叠长方体(collapsed cuboid),并为此折叠长方体定义合适的导热率 \(k\) 。FloTHERM计算该折叠长方体的垂直方向热阻。 $$ R_{\mathrm{throughPlane}} = t / k $$ 只考虑垂直方于接触表面的热传递,而忽略TIM层水平方向上热传递。所以这种方式不太适合于比较厚的TIM层,或各向异性的TIM材料,如石墨烯垫片。 另外需注意,在结构树中要将模拟TIM层的折叠长方体放到两个对象的后面,以保证它不会被这两个对象覆盖。
  • 通过指定一个接触面的表面属性来定义接触热阻。在材料的表面属性中有一项Rsurf-solid可以定义表面热阻, 单位为(Km ^ 2 / W)。

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  1. The effect of thermal contact resistance on heat management in the electronic packaging. 

  2. 采用瞬态平面热源法测量NIST标准参考材料SRM 1453热导率随真空度的变化 

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