機載計算機熱界面材料物性參數測試與校核*

郭建平，劉冰野，醋強一，劉治虎

(航空工業西安航空計算技術研究所，陜西 西安 710068)

0 引 言

在機載計算機中，印制電路板上的功率器件產生的熱量通過熱界面材料傳遞至冷板散熱器中，再通過對流和輻射的方式傳遞到周圍環境或熱沉中[1]。熱界面材料的主要作用是填補空隙、增進熱傳遞效率、降低熱阻抗[2]。除了導熱作用外，熱界面材料對芯片起到了一定的緩沖和支撐作用。采用熱界面材料能有效提高電子設備的工作穩定性和使用壽命[3]。而熱界面材料的彈性模量、泊松比(以下將這兩個物理量稱為物性參數)廠家無法準確給出，有必要對其進行測試，以確保在力學仿真中輸入的熱界面材料參數是正確的，進而保證仿真結果準確可信。

按照模態分析的手段和方法，模態分析可分為計算模態分析和試驗模態分析[4]。計算模態分析通過有限元計算獲得模態參數；試驗模態分析通過對模態測試采集到的數據進行參數識別并獲得模態參數。試驗模態分析可以驗證有限元模型，為計算模態分析提供試驗數據。目前模態分析的應用領域越來越廣闊，模態分析技術已經成為一門重要的工程技術，成為工程領域參數測試的一種基本方法[5]。

筆者采用試驗模態分析方法進行熱界面材料物性參數測試，首先測出試件的固有頻率，再采用計算模態分析方法在仿真軟件中調整相應的參數，使試件的計算模態分析固有頻率與試驗模態分析得出的固有頻率相近，最后相應的參數就是材料的真實參數。

1 測試工裝設計

本次測試厚度分別為0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0 mm的某品牌熱界面材料，共6種。

根據以上測試方法與目標，設計試驗工裝，如圖1所示。工裝底部有兩個凹槽的底板，凹槽深度為0.4～2.4 mm，對應厚度為0.5～3.0 mm(熱界面材料壓縮20%后的厚度)。工裝頂部為蓋板，蓋板和底板材料均為鋁合金。通過螺釘實現蓋板、熱界面材料(裝在凹槽內)與底板的裝配。

圖1 測試工裝模型

2 測試與校核流程

熱界面材料物性參數測試與校核流程如圖2所示。

圖2 熱界面材料參數校核流程

在進行計算模態分析時，調整被測試驗工裝的物理參數及模型裝配關系，確保前兩階計算模態分析固有頻率與試驗模態分析固有頻率誤差在5%以內，以確認物理參數及裝配體關系處理正確。

3 工裝測試與校核

3.1 蓋板及底板測試

采用典型的鋁合金材料物性參數對蓋板和底板分別進行計算模態分析與試驗模態分析結果比較。對比結果表明，前兩階模態分析固有頻率誤差僅為2.13%和2.00%，誤差滿足設定的要求，證明了測試方法的正確性。

3.2 工裝組件測試

工裝組件(未裝熱界面材料)測試如圖3所示。

圖3 工裝組件試驗模態分析

工裝組件試驗模態分析結果如圖4所示。

圖4 工裝組件試驗模態分析結果

從測試試驗結果來看，工裝組件一階試驗模態固有頻率869.5 Hz，二階試驗模態固有頻率1 051.9 Hz。

3.3 工裝組件校核

3.3.1 工裝組件普通連接方式計算模態結果

為能使計算模態分析結果與試驗模態分析結果逼近，對工裝組件模型采用不同的連接處理方式進行處理，處理方式主要包括：常規螺釘連接、模型全部連接、網格協調連接、常規螺釘連接并有預緊力、網格協調連接并有預緊力以及螺釘區域連接并有預緊力。前5種處理方式的計算模態分析結果及誤差如表1所列。

表1 采用不同連接方式的計算模態分析結果及誤差

從計算模態分析結果來看，前5種模型處理方式仿真誤差都較大，并不能滿足設定的5%誤差要求，因而繼續采用螺釘區域連接并有預緊力的方法進行校核。

3.3.2 螺釘區域連接并有預緊力

在實際裝配中，螺釘連接時與螺釘頭大小相等的一圈零件連接較緊密，其余部分相當于未連接。因此，建模時將螺釘連接的那部分工裝建成單獨的一部分，在計算模態分析時對這部分進行單獨設置，即將螺釘和與螺釘連接的那部分工裝相互連接，其余部分則不連接，并在螺釘上施加預緊力，如圖5所示，計算模態分析結果如圖6所示。

圖5 螺釘區域連接并有預緊力模型

圖6 工裝組件計算模態分析結果

從計算模態分析結果來看，采用螺釘區域連接并有預緊力的連接方式進行計算模態分析時，一階模態固有頻率827.06 Hz，二階模態固有頻率1 004.7 Hz，與試驗模態分析結果誤差分別為-4.90%、-4.56%，滿足預定的要求。因而，后續熱界面材料物性參數測試就采用這種模型連接方式進行計算模態分析。

4 彈性模量與泊松比對參數的影響

此次需要校核的物性參數為彈性模量和泊松比。密度為熱界面材料壓縮20%后的密度，通過測試質量和體積即可獲得。彈性模量和泊松比為兩個校核量，泊松比可變化范圍較小，具有典型值0.3；彈性模量可變化范圍較大，需要在軟件中不斷賦值獲得。特選取了厚度為2.5 mm的熱界面材料分別賦不同的參數進行計算模態分析并與試驗模態分析結果比較，結果顯示彈性模量對固有頻率影響大，彈性模量為5e5 Pa時固有頻率為700 Hz，彈性模量為5e7 Pa時固有頻率為769 Hz。而泊松比對固有頻率影響很小，泊松比為0.1和0.3時，固有頻率分別為769 Hz和773 Hz。因此，在仿真校核中，泊松比就選取典型值0.3，不做單獨校核。

5 熱界面材料參數測試與校核

以厚度為1.0 mm的熱界面材料為例進行熱界面材料物性參數測試。熱界面材料裝入工裝后及試驗模態分析結果如圖7所示。

圖7 熱界面材料裝入工裝后的試驗模態分析結果

從測試結果來看，熱界面材料裝入工裝后的一階試驗模態固有頻率為 627.08 Hz，二階試驗模態固有頻率為748.20 Hz。

熱界面材料裝入到工裝后，經不斷調整彈性模量后的計算模態分析結果如圖8所示。

圖8 熱界面材料裝入到工裝后的計算模態分析結果

從計算結果來看，熱界面材料裝入到工裝后的一階計算模態分析固有頻率為637.73 Hz，二階計算模態分析固有頻率為736.02 Hz，計算模態分析與試驗模態分析結果如表2所列。

表2 1.0 mm熱界面材料測定參數

測試的其余規格熱界面材料參數匯總如表3所列。

表3 熱界面材料測試所得參數匯總

6 結 語

采用試驗模態分析與計算模態分析方法設計了專用測試工裝，開展了某品牌熱界面材料物性參數測試，獲得該類熱界面材料物性參數，為機載計算機力學仿真與設計提供了重要基礎數據。