Тема: ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ МЕТОД КОНТРОЛЯ ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ТЕПЛОПРОВОДЯЩЕЙ ПАСТЫ (ТЕРМОИНТЕРФЕЙСА)

Актуальность работы
В современной технике повсеместно применяется теплопроводящая паста, получившая еще одно название - термоинтерфейс, задача которого улучшить качество теплопереноса от греющегося элемента к радиатору охлаждения. Дефекты, появившиеся после нанесения теплопроводящей пасты на радиатор охлаждения, могут привести к негативным последствиям, таким как снижение производительности и срок службы силового элемента, ложного срабатывания цепей защиты от перегрева и пр. Поэтому своевременный контроль теплофизических характеристик теплопроводящей пасты позволяет избежать снижения надёжности работы прибора и системы в целом, а так же его преждевременного отказа.
В настоящее время контроль теплофизических характеристик термоинтерфейса в процессе производства осуществляется вручную [5, 10, 21, 82], либо косвенными методами [66, 89], а контроль теплофизических характеристик термоинтерфейса после его нанесения на теплоотводящую поверхность существующими методами проводится только на этапе летучего и выборочного контроля [28]. Выходной контроль теплофизических характеристик термоинтерфейса в некоторых случаях возможен, но для его осуществления исследуемый прибор должен иметь температурозависимый параметр, а полученный данные о теплофизических характеристиках термоинтерфейса зависят так же и от косвенных параметров изделия, например таких, как шероховатость сопрягаемых поверхностей и теплоемкость корпуса [63, 93]. Существующие методы неразрушающего контроля, не позволяют контролировать теплофизические характеристики термоинтерфейса после установки тепловыделяющего элемента на радиатор охлаждения с термоинтерфейсом в автоматическом режиме, а так же исключить влияние других факторов тепловой схемы исследуемого прибора.
Исследования теплофизических характеристик термоинтерфейса в промежутке между корпусом тепловыделяющего элемента и радиатором охлаждения активно проводятся различными авторами и коллективами. Наиболее полно исследование одного из теплофизических параметров термоинтерфейса, теплового сопротивления, с помощью неразрушающего контроля описано в работе [65]. На основе частотного анализа электротеплового аналога ИС цепи второго порядка получено выражение для определения вклада в тепловое сопротивление каждого элемента тепловой конструкции, имеющего значительную теплоемкость. Однако использование данного метода имеет такой недостаток как невозможность его применения при выключенном приборе, либо на приборе, не имеющем температурозависимый параметр. Так же данный метод имеет высокую погрешность при существенно отличающихся параметрах элементов одной тепловой схемы.
В результате литературного анализа было выявлено, что на сегодняшний день исследования характера изменения термоЭДС между разнородными поверхностями корпуса тепловыделяющего элемента и радиатором охлаждения при разных теплофизических параметрах термоинтерфейса не проводились. Возможно использование полученных данных о величине термоЭДС для определения теплофизических характеристик термоинтерфейса в промежуточном слое между корпусом тепловыделяющего элемента и радиатором охлаждения. Для исследования был выбран корпус ТО-220, повсеместно применяемый в полупроводниковой технике, и термопаста КПТ-8 - широко применяемая в отечественной радиоэлектронике. Так же проведены экспериментальные исследования по определению зависимости термоЭДС от толщины термоинтерфейса между процессором компьютера Intel core 2 Duo и его штатным радиатором охлаждения. В качестве термоинтерфейса применялась паста Эласил 131-179.
Объектом исследования в представленной работе является термоЭДС, возникающая между разнородными металлическими поверхностями радиатора и тепловыделяющего элемента.
Предметом исследования является способ контроля теплофизических параметров термоинтерфейса термоэлектрическим методом.
Цель диссертационной работы: исследование термоэлектрического метода для контроля параметров термоинтерфейса после его установки с тепловыделяющим элементом на радиатор охлаждения.
Данные цели достигаются путем решения следующих задач:
1. Определить зависимость возникающей термоЭДС между разнородными образцами из типовых материалов, применяемых при изготовлении корпусов силовых приборов и радиаторов охлаждения, от характера распределения термоинтерфейса по поверхности образцов.
2. Провести исследования электрических характеристик возникающей термоЭДС.
3. Разработать термоэлектрический метод контроля теплофизических параметров термоинтерфейса после установки тепловыделяющего элемента на радиатор охлаждения с теплопроводящей пастой.
Научная новизна работы. В качестве результатов работы можно выделить следующие новые научные знания:
1. Предложен способ термоэлектрического контроля теплофизических характеристик термоинтерфейса, основанный на зависимости термоЭДС от характера распределения теплопроводящей пасты между двумя металлическими поверхностями, защищенный патентом РФ № 2686859
2. Исследован характер возникновения термоЭДС между разнородными образцами из типовых материалов, применяемых при изготовлении корпусов тепловыделяющих элементов и радиаторов охлаждения и получены аналитические выражения для определения термоЭДС, позволяющие учитывать характер распределения термоинтерфейса между корпусом тепловыделяющего элемента и радиатором охлаждения.
3. Разработана модель для исследования теплофизических характеристик термоинтерфейса, расположенного между двумя металлическими поверхностями,
7
позволяющая проводить исследования в широком диапазоне изменения
различных параметров металлических поверхностей и термоинтерфейса.
4. Проведены исследования электрических свойств возникающей термоЭДС при различном характере распределения термоинтерфейса между образцами, выявлена линейная зависимость термоЭДС от площади покрытия термоинтерфейсом корпуса тепловыделяющего элемента.
Практическая значимость.
1. Полученные аналитические выражения для определения величины термоЭДС могут быть использованы для оценки характера распределения термоинтерфейса между корпусом силового прибора и радиатором охлаждения.
2. Предложенный способ термоэлектрического контроля позволяет определить теплофизические характеристики термоинтерфейса, расположенного между металлическими поверхностями, между которыми при нагреве возникает термоЭДС, на любом этапе эксплуатации прибора.
3. Результаты работы внедрены в учебный процесс в национальном исследовательском Томском политехническом университете и на предприятии ООО «ЛЭМЗ-Т».
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Термоэлектрический метод позволяет контролировать теплопроводящие характеристики термоинтерфейса в промежуточном слое между радиатором охлаждения и корпусом тепловыделяющего элемента.
2. Разработанная модель на основе термоэлектрического метода, позволяет контролировать теплофизические параметры термоинтерфейса в промежуточном слое между радиатором охлаждения и корпусом тепловыделяющего элемента в широком диапазоне изменения различных параметров теплопроводящей пасты, радиатора охлаждения и корпуса тепловыделяющего элемента.
3. ТермоЭДС в установившемся режиме между корпусом силового элемента ТО220 с медным никелированным основанием и радиатором охлаждения из алюминиевого сплава марки АД31 линейно уменьшается от 40 до 20 мкВ при изменении площади покрытия тепловыделяющего элемента термоинтерфейсом
КТП-8 от 0 до 100% при температуре радиатора охлаждения 100°С. Погрешность определения площади не превышает 10%.
Достоверность полученных теоретических и экспериментальных исследований обеспечивается корректным применением современных численных методов, многочисленными экспериментальными исследованиями, высокой повторяемостью результатов и сопоставлением результатов, полученных при аналитическом расчете, а также практическим применением способа контроля теплофизических параметров термоинтерфейса для обнаружения образцов с некачественно нанесенным термоинтерфейсом.
Вклад автора: постановка целей и задач, разработка математической модели для исследования теплопроводящих характеристик термоинтерфейса. Предложен термоэлектрический способ контроля теплофизических характеристик термоинтерфейса, располагающегося между корпусом тепловыделяемого элемента и радиатором охлаждения, его экспериментальная проверка на лабораторных образцах и реальных приборах. Проведены исследования возникающей термоЭДС при различном характере распределения термоинтерфейса между двумя металлическими образцами. На предложенный способ и экспериментальную установку получены патенты РФ
Апробация работы и публикации.
Приведенные в данной диссертационной работе материалы представлены на следующих конференциях:
XXIII Международная научно-практическая конференция, посвященная памяти генерального конструктора ракетно-космических систем академика М. Ф. Решетнева «Решетневские чтения», г. Красноярск, 2019 г.
XV Международная школа-конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Инноватика - 2019», г. Томск, 2019 г.
XIII Всероссийской научной конференции молодых ученых «Наука. Технологии. Инновации», г. Новосибирск, 2019 г.
Международная научно-техническая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «НАУЧНАЯ СЕССИЯ ТУСУР - 2020», г. Томск, 2020 г.
ХХ Научно-техническая конференция «Электронные и
электромеханические системы и устройства», г. Томск, 2020 г.
III Международный форум «Интеллектуальные системы 4-й промышленной революции», г. Томск, 2020 г.
Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 13 печатных работах, в том числе одна статья в журнале из перечня ВАК и две статьи в журналах, индексируемых в Scopus, одна публикация в журнале из перечня WoS, 7 публикаций индексируемых в РИНЦ, получено 2 патента РФ.
Структура диссертации. Настоящая диссертация состоит из введения, трех глав и заключения. Объем диссертации составляет 1286 страниц, 68 рисунков и 6 таблиц. Обзор литературных данных заключает в себе 98 источников.
Во введении приведено обоснование актуальности работы, поставлены цели диссертационной работы, показывается практическая ценность работы, излагаются научные результаты.
В первой главе приведены основные типы и виды термоинтерфейсов, их основные параметры, сравнительный анализ каждого типа и примеры их применения при монтаже электронной аппаратуры.
Рассмотрены основные методы обеспечения качества нанесения пастообразных термоинтерфейсов, показаны основные области применения, описаны их достоинства и недостатки. Приведены методы контроля теплофизических параметров термоинтерфейсов: такие как контроль температурозависимого параметра, стандартный метод контроля теплового сопротивления, модуляционный метод и метод определения компонент теплового сопротивления. Описаны их основные сферы применения, этапы производства, на котором они могут применяться, а так же их достоинства и недостатки.
Опираясь на результаты литературного анализа, был предложен термоэлектрический метод контроля теплофизических параметров термоинтерфейса в промежутке между корпусом тепловыделяющего элемента и радиатором охлаждения.
Во второй главе приведены результаты теоретических исследований передачи тепла при изменении теплового сопротивления, который является одним из основных теплофизических параметров термоинтерфейса, системы «корпус- термоинтерфейс-радиатор». В разделе 2.1 получена аналитическая зависимость возникающей термоЭДС от теплового сопротивления.
В разделе 2.2 приведены основные уравнения математической модели, позволяющей качественно определить влияние теплового сопротивления на процесс передачи тепла в объекте при введении теплового сопротивления.
В разделе 2.3 приведены результаты исследования влияния параметров объекта на термоЭДС. Показано изменение термоЭДС при изменении теплопроводности термоинтерфейса, его толщины и параметров исследуемого объекта.
В разделе 2.4 приведены основные функциональные возможности математической модели, реализованной на соотношениях полученных в разделе 2.3. Приведены зависимости термоЭДС от типов используемых материалов в математической модели, размеров объектов и толщины термоинтерфейса.
В разделе 2.5 приведено исследование влияния теплового сопротивления термоинтерфейса на термоЭДС при различных свойствах материалов исследуемых объектов.
Во третьей главе представлены результаты экспериментальных исследований. В разделе 3.1 приведено описание экспериментальной установки для исследования теплофизических параметров термоинтерфейса. В качестве объекта исследования использовался лабораторный образец, схожий своими физическими свойствами с образцом, примененным в качестве объекта исследования в математической модели, описанной в предыдущей главе. Приведены графики разницы температур от времени нагрева, измеренного термопарами, и измеренные с помощью термоЭДС, подтверждающие правильность термоэлектрического метода. Графики позволяют наглядно увидеть процесс теплопередачи при введении теплового сопротивления, флуктуации температуры и результирующей термоЭДС.
В разделе 3.2 приведено описание экспериментальной установки для определения зависимости термоЭДС от толщины термоинтерфейса и площади покрытия корпуса ТО-220. Приведены графики разницы температур от времени нагрева, измеренного термопарами, и измеренные с помощью термоЭДС, подтверждающие правильность термоэлектрического метода. Получена линейная зависимость термоЭДС от площади покрытия корпуса ТО-220 термоинтерфейсом.
В разделе 3.3 приведены результаты экспериментальных исследований зависимости термоЭДС от площади покрытия термоинтерфейсом корпуса процессора персонального компьютера. Получена линейная зависимость термоЭДС от площади покрытия термоинтерфейсом корпуса процессора.
В конце каждой главы приведены выводы.
В заключении приведены основные научные знания, представленные в виде результатов диссертационной работы.

Купить

В результате выполненной работы исследованы корреляционные зависимости термоЭДС от теплофизических параметров термоинтерфейса КПТ-8.
Предложен термоэлектрический способ неразрушающего контроля теплофизических параметров термоинтерфейса, учитывающий температурную зависимость термоЭДС и теплопроводящие и электропроводящие свойства материалов объектов.
Проведены теоретические и экспериментальные исследования зависимости термоЭДС.
Исследовано влияние погрешностей, вносимых измерительными электродами, состоящих из разнородных материалов на величину термоЭДС и предложен способ его компенсации.
Разработан макетный образец устройства и про
Купить