（控制理论与控制工程专业论文）大规模集成电路界面热阻试验研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 信息技术是国民经济的核心技术，它服务于国民经济各个领域，微电子技 术是信息技术的关键。 改革开放以来我国经济迅速发展，信息产业更是取得了长足的进步。目前， 中国已成为全球增长潜力最大的电子产品消费大国：全球最大的移动电话市场、 第三大p c 市场，未来五年还将成为全球第二大半导体市场。 集成电路特别是大规模集成电路的广泛应用引发了对集成电路散热的深入 研究。人们在实践中发现在热传导过程中，漏热问题总是不可避免，在电子技 术领域，电子产品的热输运问题有芯片内部集成电路与其基片之间的传热问题 和芯片外壳的散热设计，在外界条件一定的情况下，集成电路与散热器的界面 热阻是影响散热效率的主要因素，其界砸传热直接影响芯片性能指标和可靠性。 因此，找到并测试集成电路与散热器之间界面热阻的影响因素对于解决集成电 路散热，节能降耗有着十分重大的意义。 本文以一款c p u 与散热器的界面热阻作为研究对象进行初步的试验研究和 探讨。论文首先对试验系统进行了传热过程的分析，指出界面热阻对于整个系 统散热的影响。 实验是界面热阻研究的基础组成，参数的自动测量与控制是大规模集成电 路固体界面传热实验必需解决的基本问题。论文自行设计和制作了数据采集系 统的硬件与软件，从温度传感器的选择到传感器的安装、信号放大以及模数转 换等都做了较详细的阐述和分析并基于l a bv i e w 7 0 开发了操作界面。 c p u 的发热功率是计算界面热阻的重要参数，论文又基于热平衡理论，制 作了用于对选用型号c p u 发热功率进行测量的试验装置，并基于此获得c p u 发 热功率的参数。再配合数据采集系统，最终得到了c p u 与散热器之间的界面热 阻。 通过不断改变试验条件以及荷载情况，找到界面热阻的影响因素，并通过 试验测量数据对界面热阻的影响因素进行了定性的分析，解释了其发生作用的 影响机理。 关键词：大规模集成电路界面热阻 数据采集热功耗 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ei l l f o r m a t i o ns c i e n c ei st h ec o r eo ft c c h n o l o # e so nn a t i o n a ie c - , o n o mv w h i c h c a nb eu s e di na n yf i e l d so fn a t i o n a le c o n o m v o fw h i c ht h em i c r o - e l e c t r o n i e s t e c h n o l o g yi st h ek e y w i t ht h er a i d i i dd e v e l o p m e n to ft h ec h i n e s ee c o n o m ut h ei n f o r m a t i o ni n d u s t r y h a v eag r e a td e v e l o p m e n t a tp r e s e n t c h i n ah a sb e e nt h el a r r e s tc o u n t r yw l l i c hh a s t h ef a r t h e s ti n c r e s c e n tp o t e n t i a lo nc o n s u m i n ge l e c t r o n i cp r o d u c t si nt h ee a r t h ，t h e l a r g e s tm a r k e to fm o b i l et e l e p h o n e s 。t h et h i r dl a r g e s tp cm a r k e t ，a n dw i l lb et h e s e c o n dl a r g e s ts e m i c o n d u c t o rm a r k e ti nt h ew h o l ew o r l di nt h ef i l t u r e5y e a r s t h ei n t e g r a t e dc i r c u i t c o o l i n gh a sb e e nd e e p l yr e s e a r c h e d ，w h i c hi sc a u s e db y t h el a r g e - s c a l e 蛔t e g r a t i o n sw i d e l yu s i n g i nt h ep r a c t i c e p e o p l ef o u n dt h a tt h el o s t o fh e a tc a nn o tb ei g n o r e d i nt h ef i e l d so fe l e c t r o n i ct e c h n o l o g y , t h eh e a tt r a n s f e r p r o b l e mo fe l e d 的n i cp r o d u c ti n c l u d e sh e a tt r a n s f e rb e t w e e ni n t e g r a t e dc i r c u i ta n di t s s u b m a r i n ei nc h i pa sw e l l 鹋t h ed e s i g no fh e a tr e m o v a lo nc h i p 。sc r u s t w h e nt h e e n v i r o n m e n ti sg i v e n t h et h e r m a lc o n t a c tr e s i s t a n c eb e t w e e ni n t e g r a t e dc i r c u i ta n d t h ec o o l i n gi st h em a i no n eo ft h ef a c t o r sw h i c hd e c r e a s e st h ee f f i c i e n c yo fc o o l i n g , a n db u f f e l st h eh e a tt r a n s f e r , w h i c ha f f e c t st h ec m o s c h i p p a r a m e t e r sa n dr e l i a b i l i t y s of i n d i n ga n dt e s t i n gt h ea f f e c t i n gf a c t o r si ss i g n i f i c a n tt oi n c r e a s i n gt h ee f f i c i e n c y o fc o o l i n ga n ds a v i n gt h ep o w e r i nt l i i sd i s s e r t a t i o n w ec h o s et h et h e r m a lc o n t a c tr e s i s t a n c eb e t w e e nc p ua n dt h e c o o l i n ga st h eo b i e c tt oe x p e r i m e n ta n dr e s e a r c h f i r s to fa 1 1 w ea n a l y z e dt h eh e a t t r a n s f e rp r o c e s s o nw h i c ht h et h e r m a lc o n t a c tr e s i s t a n c eh a sg r e a te f f e c t s t h ee x p e r i m e n t a t i o ni st h eb a s eo fr e s e a r c ho nt h e r m a lc o n t a c tr e s i s t a n c e ，w h e n d i dt h ee x p e r i m e n t a t i o no nt h et h e m a lc o n t a c tr e s i s t a n c eb e t w e e nl s ia n dt h e c o o l i n g a u t o m a t i cd a t ac o l l e c t i n ga n dc e n t r e li st h eb a s a lp r o b l e m w ed e s i g n e da n d d e v e l o p e dt h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r eo fm a l t id a t ac o l l e c t i n gs y s t e mi n d e p e n d c n t l y a n dd e t a i l e da n a l y s e sa n dd i s c u s s i o na b o u tt e r n p e r a t u r es e n s o r ss e l e c t i o n ，f i t t i n go f s e n s o r , a m p l i f i c a t i o no fw e a ks i g n a l ，h i g hp r e c i s i o na dc o n v e r s i o n ，a n ds oo n ，t h e n w ed e v e l o p e dt h es o f t w a r eb a s e do nl a bv i e w 7 0 w h e nc a l c u i a t et h et h e r m a lc o n t a c tr e s i s t a n c e ，t h eh e a tp o w e ri st h ei m p o r t a n t p a r a m e t e r , s ow ec o n s t r u c t e dt h ee q u i p m e n tw h i c h i su s e dt om e a s u r et h eh e a tp o w e r o fc p ut h a tw ec h o s e w bg o tt h eh e a tp o w e ro ft h ec p ub a s e do nt h ee q u i p m e n t w i t ht h ep a r a m e t e rc o l i c c t c db yt h em u l t id a t ac o l l e c t i n gs y s t e m ，w ec o u l dc a l c u l a t e t h et h e r m a lc o n t a c tr e s i s t a n c ea tl a s t n e n w ef o a n dt h ef a c t o r sw h i c ha f f e c tt h et h e r m a lc o n t a c tr e s i s t a n c eb e t w e e n c p ua n dt h ec o o l i n gb yc h a n g i n gt h ee x p e r i m e n t a lc o n d i t i o na n dt h ek i n d so fl o a d s l a t e rw ed i dq u a l i t a t i v ea n a l y s i so nt h ef a c t o r sa n da n a l y z e dh o wt h ef a c t o r sa f f e c t w h e nt h eh e a tt r a n s f e rh a p p e n e d k e yw o r d s ：l a r g es c a l ei n t e g r a t e dc i r c u i t ，t h e r m a lc o n t a c tr e s i s t a n c e d a t ac o l l e c t i o n ，h e a tp o w e r 独创性声明 y 8 1 ；1 1 8 7 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人， 已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育机构的 学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已 在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权保 留、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：兰j 白誊导师签名：丝日期：逍兰旦 武汉理j 一大学硕士学位论文 1 1 课题概述 1 1 1 课题的题目及来源 第1 章绪论 课题的题目：大规模集成电路芯片界面热阻试验研究 课题来源：武汉理工大学博士基金课题 1 1 2 课题研究的背景 信息技术是国民经济的核心技术，它服务于国民经济各个领域，微电子技 术是信息技术的关键。整机系统中集成电路采用多少是其系统先进性的直接表 征。 集成电路是一种微型电子器件，采用一定的工艺将包含三极管、二极管、 电阻、电容等元件及其相互连线的整个电路，集中制造在一个或几个很小的半 导体晶片或介质基片上，再经引线和封装，成为具有所需功能的微型结构。按 集成度( 每片芯片半导体晶片或介质基片集成的元件数) 可分为：小规模集成 电路( s s i ：1 1 0 0 ) ，中规模集成电路( m s i ：1 0 0 1 0 0 0 ) ，大规模集成电路 ( l s i ：1 0 0 0 1 0 万) ，超大规模集成电路( 1 0 万1 0 0 万) ，极大规模集成电路( 大 于1 0 0 万) 。 集成电路具有体积小、重量轻，引出线和焊接点少、寿命长、成本低、可 靠性高、性能好等优点，广泛应用于电子计算机、无线通讯设备、导弹、雷达、 人造卫星和各种遥控、遥测设备中。 在集成电路产业中，硅技术是主流技术，硅集成电路产品是主流产品，占 集成电路产业的9 0 以上。正因为硅集成电路的重要性，各国都很重视，因而 竞争激烈。 现今，世界i c 特征线宽，批量生产的已达到o 1 8 一o 1 3 a m ，芯片的集成度 达剑1 0 8 。1 0 9 量级，研究成果已提高到0 1 , u m 技术。2 0 0 6 年，单片系统集成芯j l 将达到如下指标：最小特征尺寸0 o g a m 、芯片集成度达2 亿个晶体管、芯片面积 武汉理上大学硕士学位论文 5 2 0 a m 2 ，7 - 8 层金属连线、管脚数4 0 0 0 个、：i ：作电压0 9 1 2 v 、工作频率 2 2 5 g h z ，功率1 6 0 瓦。到2 0 1 0 年，将提高到0 0 弘m 的水平。硅i c 晶片直径 尺i r ，2 0 0 0 年一2 0 0 5 年将从2 0 0 m m 转向3 0 0 m m ，2 0 0 6 2 0 1 0 年又将转向4 0 0 m m 。 2 1 世纪上半叶，微电子技术仍将以尺寸不断缩小的硅基c m o s 技术为主流忆 2 0 世纪9 0 年代，以计算机，通信，家用电器等消费类电子产品为代表的i t ( 信息技术) 迅猛发展。目前，中国已成为全球增长潜力最大的电子产品消费 大国：全球最大的移动电话市场、第三大p c 市场，未来五年还将成为全球第二 大半导体市场。电子产品造型优美，体积小巧，功能强大。人们在享受它们带 来的高科技的成果的同时，也越来越多的抱怨由于电子产品故障给生活所带来 的不便。家用电器以及数码产品的核心部件均是集成电路芯片，体积小，运算 速度高，但很容易受到外界的干扰，包括工作环境的温度，湿度，电磁辐射， 化学作用等等。如不采取有效的保护措施，将导致电子设备及系统功能的降低、 失效或损坏。一项统计结果显示，电子设备的故障很大部分是由于元器件温 度过高而引起的，温度或者说是热对电子设备以及集成电路芯片的影响十分显 著。 集成电路芯片在工作时除输出部分的有用功之外，很大一部分的电能都被 转化为p n 结的热经过芯片的封装外壳排放出来。为保证电子设备在工作环境下 长期、稳定地工作，电子散热设计必不可少。 人们研究了各种各样的散热方法，提高芯片，电路的工作效率，如强迫风 冷，水冷，热管技术，利用半导体器件制冷等，收到了明显的效果。 1 1 3 研究的目的和意义 固体界面传热f q 题与人类息息相关，无论是人们日常生活上、农业生产， 还是运行在太空的航天器，都存在固体界面传热问题。在冶金上业，连铸结晶 器中渣膜与结晶器及铸坏之间的热传递、轧钢中钢坯与轧辊之间的传热、换热 器中钢管与翅片之间的热交换等均存在界面热阻问题i2 】：在高温超导制冷机自接 冷却系统中，制冷机冷头与电绝缘热片之间、电绝缘热片与电流引线之间都存 在界面热阻，它影响和限制超导器件冷却的效率和运行可靠性，界面热阻引起的 焦耳热几乎占总漏热的1 3 - t 2 ，对系统的动态稳定性有重要影响，是超导电流 引线发生失超的主要根源之一l j l 。 2 武汉理工大学硕士学位论文 集成电路在工作过程中被视为生热元件。大量的热使得环境以及集成电路 的材料性质发生变化，从而影响芯片的j ：作效率。 美困的一份研究报告表明，包括计算机在内电子产品故障的5 5 源于产品 的工作温度不合理，超过了其他所有故障的总和j 4 l 。电子产品的热输运问题有芯 片内部的大规模或超大规模集成电路与其基片之间的传热问题和芯片外壳的散 热设计( 多数芯片把芯片外壳作为热沉，少数芯片把其输出引脚作为热流输出通 道1 。对于个人电脑，c p u 的散热好坏自然影响电脑上作的稳定性和运行速度， 传统的c p u 是把晶体管设计在具有良好导热性能的绝缘基片上，晶体管产生的 热量是通过晶体管与基片的导热把热量传递到芯片外壳的。现在计算机普遍采 用在中央处理器( c p u ) 外壳上安装散热器和风扇解决散热问题。市场上已经推出 用微型热管散热的水冷c p u ，与风冷c p u 相比，其最大优点是超稳定性和超静 音功能。 半导体技术的发展遵循“摩尔定律”1 5 】，c p u 的工作频率迅速提高，这样快 的发展速度使得散热器的发展远运不能适应其变化，对于迅速升高的功率，只 得不断扩大散热器的体积，增加用于制冷的功率，这与集成电路尺寸的不断缩 小和功耗相对的迅速增加形成矛盾，限制了芯片的使用范围，阻碍了半导体技 术的发展。c p u 外壳和散热器之间界面热阻直接影响散热效率。其热问题已经 成为制约c p u 提高主频率的瓶颈。 本课题试验研究目的在于：分析大规模集成电路界面热阻现象：找到界面 热阻形成的机理，以及影响因素；对影响因素进行分析，初步探讨各种因素在 界面热阻中的规律作用，并不断的变换外界影响因素条件，从而找到一种新方 法或者新材料或者新思路在不明显改变散热器尺度或者功率的情况下，得到最 佳的散热效果。 大规模集成电路界面热阻研究对于解决大规模，超大规模集成电路散热问 题，对指导集成电路的结构制造，以及电子模块，产品布局，促进集成电路的 应用以及产品构造设计的变革，散热器的设计优化，有着十分重大的意义和巨 大的发展潜力应用前景。 1 2 课题研究的现状 界面热阻理论提出，始于2 0 世纪初前苏联低温物理学家k a p i t z a ，p e t e r 武汉理_ l 人学硕十学位论文 对超流氦界面热导的研究，1 9 4 1 年k a p i t z a 首次测量了h e ii 与铜的界面热导， 开创了界面热阻研究的先河。 随后，界面传热在低温以及超导材料领域得到了广泛的应用。这些具体的 研究= 【：作，对深入学科前沿，丌拓超导电气一低温一体化，促进超导走向应用 有非常重要的意义；对空间卫星最佳热耦合技术，大规模集成电路与强激光冷 却技术等高新领域的发展具有重要的科学意义和重大的应用前景；而且对带动 低温物理，低温工程，能源工程，电气工程及材料科学等相关学科的发展都有 积极的贡献与重要的影响。 界面传热问题涉及面非常广。首先，有物质不同形态之间界面传热问题， 有液体之间的界面传热，也有气体之间的界面传热，还有液体和气体、液体和 固体、气体和固体之间的界面传热等，本课题研究范围局限在固体之间的界面 传热问题。其次，界面的连接情况十分复杂，从宏观角度涉及界面压力、温度、 表面粗糙度、材料特性等参数，从微观角度要考虑界面固体物质的声子平均自 由程、反射与散射角度等参数。 界面热阻，是一门实验性很强的学科领域，需要不断的试验不断的进行论 证。在实践的过程中人们发现界面热阻不仅仅与粗糙度相关，即使全部接触也 会有热阻( 表面性质、表面粗糙度、电阻) 存在。同时，除粗糙度外，影响它 的因素还有很多，如材料的热物性、负载、温度和界面的介质等。因此，界面 热阻涉及的范围相当大、界面热阻的机理相当复杂。即使是相同两个物体的界 面热阻，不同的测试、连接方式将产生不同的结果。 过去的几十年中，科研人员对两固体表面接触的界面热阻进行了广泛的研 究1 6 胴： 对于它产生的机理，目前普遍认为界面热阻的产生是由于粗糙表面间不完 全接触所造成的热流线收缩而导致的。在任何一个表面，无论从表面上看光滑 程度如何，从微观上来说都是粗糙的，真正的光滑表面是不存在的。因此，表 面羊h 糙度的大小直接影响到热流的收缩程度，从而影响到接触热阻的大小。为 此，表面形貌的观测与描述就成为界面热阻的研究中一个重要因素。一般认为， 粗糙表面是一个随机过程。表面形貌的模型有主要以下几种1 8 1 19 j ： g w ( g r e e n w i l l i a n s o n ) 模型经典弹性接触模型，基于各相同向表面的一 b g t ( b u s hg i b s o nt h o m a s ) 模型、基于各相异性表面的一b g k ( b u s h ，g i b s o n 、 k e o g h ) 模型，a s p r s i m 模型表面粗糙度模拟模型、改进的g w 模型。由于 4 武汉理工大学硕士学位论文 两表面接触后产生形变，形变的类型( 弹性形变或塑性形变) 将直接影响到两 表面接触后各自的粗糙度的变化，由此导致了实际接触面积的改变，从而接触 热阻也将发生较大变化。目前形变模型主要有以下几种：b u s h ，r d g i b s o n 1 0 】等 提出的粗糙表面的弹性接触模型，s r i d h a r m m y o v a n o v i c h 等提出的弹塑接触模 型【1 1 】，n a y a k 等提出的主要适用于塑性粗糙表面静接触问题的粗糙表面随机过程 模型( 1 2 lf 1 3 j 。这些研究思想都是把接触界面看成是二维几何瑟，把接触界面热阻 看成实际接触面积占总面积的一部分，由于热流在流经接触界面时产生收缩， 从而产生界面热阻的机理的基础上开展研究工作的。 我国界面热阻的研究起步较晚，始于8 0 年代末9 0 年代初期。皇甫哲博士 ( 西安交通大学) 在1 9 8 9 年的博士毕业论文中研究了金属接触面的传热热阻， 对热流方向效应、滞后效应、热流密度的影响和接触面上切应力的影响进行了 探讨，并初步探讨了热结构优化的问题。颓慰兰教授在1 9 9 2 年进行了接触热阻 试验方面的研究，在此基础上研究了温度对接触热阻的影响并提出半经验公式 上海交通大学的徐烈以及张涛、杨军、赵兰萍等于1 9 9 5 年开始研究低温下固体 表面接触热阻的问题。他们对界面热阻研究中的表面形貌模型和形变模型进行 了具体的比较，分析研究，讨论了这些模型的优缺点，提出了在低温真空环境 下建模中需要注意的一些问题；研究了真空低温下接触表面的粗糙程度对界面 热阻的影响；设计了双电流法测定低温真空下固体界面的接触热阻的方法。浙 江大学应济等对粗糙表面接触热阻进行了理论和试验研究，并对换热影响下的 接触热阻进行了估计。华中科技大学程德威等研究了接触热阻对超导电气系统 中电流引线影响的问题。北京科技大学殷晓静针对同心圆柱套筒间的接触热阻， 比较系统地研究了数学模型、参数影响以及实验方法。 以上界面热阻的研究都是对低温超导材料的特性研究，具有十分重要的意 义和深远的影响。 由于集成电路的广泛应用以及对电子芯片散热的迫切需求，大规模集成电 路界面热阻的问题也已经提出来了，专门针对电子散热设计制造研究的行业正 方兴未艾，人们寻求不同的方法，材料或者思路，运用在散热器的设计制造以 及i c 设计制造领域。对于大规模集成电路界面热阻的研究，还没有比较成熟的 理论可以参考，人们都是在不断摸索总结。 综七所述，固体界面传热问题是航天器热控制、高温超导、半导体元器件 和计算机散热设计等领域所关注解决的基本科学问题。 武汉理_ t 人学硕士学位论文 1 3 课题研究的工作内容 本课题是集计算机技术，计算机仿真技术，自动控制技术，传感器技术， 传热学理论等多学科交叉和综合知识对大规模集成屯路界面热阻的试验研究。 界面热阻的影响因素较为特殊，在整个试验过程中，需要解决的问题很多，有 许多因素的测量没有成型的试验设备，因而自行设计。 根据试验的要求做了以下探讨研究工作： 1 分析一般对象界面热阻的形成机理，以及影响因素； 在对一般性对象界面熟阻的形成机理以及影响因素的研究中，发现许多影 响因素对大规模集成电路也同样有效果，选取影响较大的具有代表性的因素 进行分析测量研究。 2 依据传热学的基本理论分析大规模集成电路试验系统对象的传热模型； 经过研究，选择c p u 与散热器之间的界面热阻作为大规模集成电路界面热 阻的研究对象，因其工作环境的特殊，对其系统传热摸型进行分析。 3 自行设计测试试验影响因素( 如发热功率) 的测量设备； 系统界面热阻的影响因素很多，并且现有条件下不能直观测量，比如c p u 发热功率，热功率是计算界面热阻的关键，在试验中需要制作装置进行测量。 4 针对温度的多路数据采集系统的上位机，下位机软件硬件设计； 上位机以l a bv i e w 为开发平台；下位机采用5 1 单片机做数据采集。 5 定性分析界面热阻的主要影响因素，绘制曲线； 对影响因素的测量数据进行分析找到其中规律，提出因素影响机理。 6 对界面热阻进行试验总结； 总结试验研究的成果，存在的不足。 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章界面热阻理论与分析 2 1 界面热阻形成机理及定义 2 1 1 界面热阻形成机理 两个平整( 通常意义上的平整) 的物体相互接触，即使加工的十分光滑， 在微观上看，仍然是非常粗糙的，两个物体相互接触时，只有很少的一部分真 正的接触到一起，由于表面凹凸不平，接触的界面问填满了介质或者形成真空。 当热量从一个物体传导到另一个物体的时，经过接触界面，遇到真空界面，发 生辐射传热，遇到接触界面或者有填充介质界面时发生传导传热，这种接触的 不完全性导致了热流的收缩，从而产生了界面热阻1 1 4 1 ，如图2 - 1 所示。 实验研究表明，即使两固体界面接触压力达到l o m p a ，实际接触面积仅占 名义面积的1 至2 。 2 1 2 界面热阻定义 图2 - 1 界面微观形貌 两根相互接触的固体棒，假设除接触端外，两棒其余周围绝热，热量仅沿棒 的轴向传递，则热量在均匀物体( 导热系数一定) 中温度分布为有斜率的直线， 但是在接触面上则会出现温差，按照热阻的定义，则界面热阻定义为接触面处 的温差( 温压) 与通过名义接触面处的热流之比【1 4 】，即：如图2 - 2 所示。 疋a 等 式中，t ：接触面温差，单位o c ( 2 1 ) 武汉理工大学硕士学位论文 q ：通过名义接触面积的热流，单位w 咒：单位。c w t q 图2 2 界面熟阻效应的温度分布图 接触热阻又可定义成【1 4 l ： r c a t ( 2 - 2 ) 窖 式中，a t ：为界面处产生的温差，单位0 c 口：为通过名义接触面积的热流密度，单位w m 2 足：接触界面热阻，单位r a 2 0 c w 其中热流密度： 日旱( 2 - 3 ) 4 l ：名义的接触面积，单位m 2 界面热阻的倒数称为界面热导，它象电学中的电导与电阻相对应一样与接 触界面热阻相对应，体现物体的导热能力强弱，接触热导越大，物体的导热性 能越好。 h 。上 r 。 式中，h ：界面热导，单位w 。c 或w m 2o c 两中定义没有本质的区别，前者表示整个接触界面的总热阻 单位面积的界面热阻，数值上有所差别。本文采用前者。 ( 2 4 ) 后者则表示 武汉理 ：人学硕士学位硷文 2 2 界面热阻的影响因素 影响接触热阻的因素很多，现在认为：造成界面热阻的最本质因素足表砥 的粗糙度【u 1 ，衡量其大小的关键是得出实际接触面积与名义接触面积的比值。 因此，影响这一比值的所有因素都会影响界面热阻的大小，两固体材料接触时， 影响其界面传热的因素1 3 t l 有： ( 1 ) 接触界面几何形貌：影响接触界面几何形貌的因素有表面粗糙度， 表面波纹度，接触面斜度，接触粗糙体的形状、尺寸大小以及数量的多少。 其中表面粗糙度越大，则物体问的接触越不完全，热流的收缩就越大，界 面热阻也就越大。 ( 2 ) 载荷情况：与载荷情况的相关因素有接触压力，加载压力大小，加 载历史。载荷的大小将直接影响到相互接触微凸起的变形程度，载荷越大， 变形程度越大，实际接触面积也就越大，界面热阻就越小。 ( 3 ) 材料特性：材料特性就是指接触材料的热物理特性，间隙媒质的热 物理特性，如热导率、导温系数、热膨胀系数等。接触材料的热物理特性 和间隙媒质的热物理特性的大小都会对界面热阻产生影响。 ( 4 ) 固体材料的机械特性：指材料硬度、屈服强度等。材料的机械特性 如弹性模量、硬度等因素的大小将直接关系到发生形变后的实际接触面积 的大小，从而影响到界面热阻的大小。 ( 5 ) 温度条件：指接触表面所处的环境温度，接触表面平均温度，热流 密度的大小及方向，温度变化历史等。温度对界面热阻的影响是通过固体 的导热系数和固体材料的弹性模量、硬度等发生作用的。 ( 6 ) 界面接触情况：主要指接触面有无相对滑动，接触表面有无其它气 态或非气态介质。由于间隙介质的传热性，当间隙处有介质存在时，会使 界面热阻比无介质存在时要大。 ( 7 ) 表面氧化物：由于在很多固体表面都存在氧化物，这些氧化物对界 面热阻有着很直接的影响。一般来说，氧化物的存在会使界面热阻增加。 另外，接触面两侧的材料的形变( 弹性形变或塑性形变) 、冷热循环等 因素也对界面热阻有影响。由于界面传热的影响因素相当多，且多为非线 形因素，它们通常与使用条件的多样化、热变形、接触状况等相互交替影 响产生耦合作用，因此使得界面热阻的研究变得相当复杂。 武汉理- 【= 大学硕士学位论文 2 3 传热问题的基本理论 2 3 1 热传导 热传导简称导热。它是热量由物体的高温部分向低温部分的传递，或者由 一个高温的物体向与其接触的低温物体的传递1 1 们1 16 】。 温度梯度的存在是导热的必需条件。在热传导过程中，通过某一截面的热 流密度可以用傅立叶定律表达为【1 6 】： 日；一a 婴( 2 - 5 ) 日一 i 式中，玎一单位时间通过表面的热流密度( 矽) ； 一材料的导热系数，w m o c ； n 截面材料外法线方向； 卜材料的温度； 2 3 2 热对流 对流换热是指相对运动着的流体与其温度不同的固体壁面接触时，流体与 壁面之间的热量交换过程。对流换热的基本计算公式是牛顿冷却公式，即 q = p - 一r ，j ( 2 6 ) 式中，h 一对流换热系数w m 2 o c ； 1 w 一固体壁面的温度o c ； 1 ，一流体的主流温度o c ； 其中影响对流换热系数h 的因素可以归结为四个方面：流动状态及流动起 因，流体的物理性质，流体有无相变和换热面的几何形状，大小及相对位置。 在对流过程中，运动的流体服从质量，动量和能量守恒定律。 2 3 3 辐射换热 物体问依靠辐射方式进行热量传递的过程成为辐射换热1 1 6 】。与热传导和对 流换热不同，辐射换热不需要有物质媒介，一个表面能辐射的最大密度由斯蒂 芬一玻尔兹满曼定律给出： q 一口$ r 4 ( 2 7 ) 1 0 武汉理工人学硕十学值论文 式中，t 表面的绝对温度，k ； 盯一斯蒂芬一玻尔兹满曼常数( 盯= 5 6 7 1 0 。8 ( w m 2 c 1 ) ； 这样的表面称为黑体，真实表面的辐射的热流应用下式计算，即： q ；口 瓦4 ( 2 8 ) 式中，s 一物体表面的发射率，其值在0 和1 之问； 通常，在两个或者更多的表面之间的辐射换热过程中，这种换热不仅取决 于参与辐射换热的表面温度，辐射性质和辐射的方向及波长特性，而且还取决 于表面的几何形状以及它们的空间相对位置等。 2 4c p u 传热模型分析 大规模集成电路界面热阻的试验研究以一款c p u 与散热片的界面热阻为试 验对象。c p u 是集成电路的典型代表，具有明显的试验特征。 封装对于芯片来说至关重要，封装技术的好坏还直接影响到芯片自身性能 的发挥和与之连接的p c b 板的设计和制造。因为，芯片必须与外界隔离，以防 止空气中的杂质对芯片电路的腐蚀而造成电气性隧下降。另一方面，封装后的 芯片也更便于安装和运输。封装起着安放、固定、密封、保护芯片和增强导热 性能的作用。 c p u 的封装技术随着半导体技术的发展，元件功率的提高不断取得进步， 从最早的8 0 8 6d i p ( 双列直插式) 封装到p e n t i u m4c u p g a ( 盖陶瓷栅格阵列) 封装，c p u 的封装发生巨大变化。较为常见的封装形式为：o p g a ， m p g a c p g a ，f c p g a ，f c p g a 2 ，0 0 i ，p p g a ，s e c c ，s e c c 2 ，s e p ， p l g a ，c u p g a 等封装。本课题所用的c p u 采用的是p p g a 即p l a s t i cp i ng r i d m v 一塑针栅格阵列封装，如图2 - 3 所示：芯片底部具有插入插座的针脚，针 脚是锯齿形排列的使得处理器只能以一种方式插入插座。为了提高热传导性， p p g a 在处理器的顶部使用了镀镍铜质散热器。这是一种集成式散热器 ( i n t e g r a t eh e a ts p r e a d e r - - i h s ) ，是在生产时直接安装到处理器片上的，由于 i h s 与片模有很好的热接触并提供了更大的表面积以更好地发散热量，所以它 显著地增加了热传导。 另一种观点认为，i h s 增加了散热途径的热阻，反而对散热起了阻碍的作 用，i h s 只起到了对c p u 内核的保护作用。 武汉理：大学硕士学化论文 图2 - 3p p g a 封装 c p u 的制冷，其主流散热技术与设备是风扇+ 散热片，课题依据这一系统 分析热稳态情况下c p u 传热模型，实物结构如图2 - 4 所示： 经过一段时间后整个系统进入热稳定状态，内核工作产生“恒定”大量的 热，其上部是导热系数很高的散热片，并且由风扇强迫制冷，导热效率高；内 核下部是由类似于f r 4 构成的层压板，各向异性，导热系数很低，因而绝大部 分热量经过内核与散热片的接触层( 介质层) 传递到热沉( 散热片) 并由风扇 吹动空气强迫散逸到空气中，少部分的热量经由下表面的p c b 材料散发出去。 整个热系统中，散热器是通过热对流和热传导进行散热的，因为强制风冷 的作用很大，所以忽略其热辐射。c p u 内核与i h s 与散热器之间相互接触因而 忽略其热辐射，绝大部分的热是通过热传导的形式散出，为了研究界面热阻， 建立接触层即界面热阻层，这层由三部分组成一是来自散热器的接触表面材料， 二是添加于接触面之间的介质t i m ，三是i h s 的接触表面材料。三者组合构成 了一种复杂的层体，它的热性质与三种单独材料的热性质有很大的差别。 热网络如图2 5 ： 风嗣 压片 敖热片 图2 - 4 散热系统实物结构图 图2 - 5 系统热网络示意图 武汉理1 人学硕十学位论文 r 。= 亿一lj 8 0 。= r 。+ r w + 尺。+ r m l + r 加。 ( 2 - 9 ) 界面热阻，由界面的温度差，以及通过界面面积的热流量计算求得， r 。= 【i m 一m ) c ( 2 - 1 0 ) 简化模型，界面层上部为流体与热沉系统热阻，f 部为内核与i h s 系统热阻 模型简化为 r 。= 乜：一l ) 只= r 。一，+ r 。+ r ，一， ( 2 - 1 1 ) 因为是稳态导热，因而系统已经达到稳定状态，生成的热量j 等于系统散 发的热量只。对于界面层：一只= 所以 r = 亿一瓦j 。 ( 2 。1 2 ) 武汉理= 大学硕士学位论文 第3 章多路数据采集仪设计 3 1 数据采集仪结构设计 在大规模集成电路界面热阻试验研究中，需要检测大量的数据信息。这些 数据包括：c p u 工作环境的温度，接触面上c p u 封装l h s 的表面温度，各种散 热器表面的温度，集成电路的发热功率等。其中c p u 的发热功率在后面的试验 方案中只能通过问接方法求得，通过测量液体温度求得温差进而求得液体吸收 的热量间接求得c p u 的发热功率。该多路数据采集系统分上位机与下位机两个 部分，是试验研究的主要测量工其。数据采集系统一般性原理如图3 - 1 所示。 为了便于操作和界面开发，上位机采用p c 机。 图3 - 1 多路数据采集系统原理图图3 - 2 采集系统框圈 下位机可选用对象较多如d s p ，p l c 以及普通的5 1 系列单片机。d s p 具有 高速运算能力主要作算法处理，比1 6 位单片机单指令执行时间快8 1 0 倍，应 用于图像处理等方面。p l c 扩展了单片机输入输出口的驱动能力，相当于添加 了三极管和继电器，抗干扰能力增