[發明專利]一種提升裝配界面接觸熱性能的界面軟硬程度設計方法

在審

• 申請號: 202310434061.8
• 申請日: 2023-04-21
• 公開（公告）號: CN116502299A
• 公開（公告）日: 2023-07-28
• 發明（設計）人: 林起崟;王晨;洪軍;潘宗昆;邵衡;李先洋;李光明
• 申請（專利權）人: 西安交通大學
• 主分類號: G06F30/12
• 分類號: G06F30/12;G06F30/17;G06F30/23;G06F119/08;G06F119/14
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責任公司 61200
• 代理人: 安彥彥

本發明公開了一種提升裝配界面接觸熱性能的界面軟硬程度設計方法，沿裝配體厚度方向劃分主裝配界面、從裝配界面與基體區域；主裝配界面定義為主設計域，從裝配界面定義為從設計域；將主設計域與從設計域劃分若干設計子區域；生成給定真實粗糙度下裝配體主、從裝配界面粗糙表面，重構粗糙表面，對裝配體進行網格劃分，各設計子區域內的網格單元材料屬性相同；各設計子區域初始材料彈性模量或屈服強度與基體材料相同，進行接觸熱性能數值分析，得到初始材料屬性下主、從裝配界面內單元溫度與熱通量分布結果；進行迭代計算即可。本發明可以有效降低接觸熱阻及裝配界面溫度分布不均勻性，充分保障電子設備整體熱性能。

技術領域

本發明屬于機械設計領域，具體為一種提升裝配界面接觸熱性能的界面軟硬程度設計方法。

背景技術

隨著電子系統集成化、多功能化、高組裝密度程度不斷提高，人們對電子系統的性能可靠性和保持性要求也愈加嚴格，由此衍生的散熱問題將嚴重影響電子設備性能、可靠性及生命周期。據可靠研究表明，電子系統的55％故障源于器件的工作溫度不合理，由于溫度過高引起的電子設備失效占電子設備失效總數80％以上。裝配界面作為電子設備中電子器件互連以及封裝中普遍存在的現象，其宏觀尺度上的存在會導致接觸界面間溫度傳遞非連續，其微觀表面粗糙度的存在更是造成接觸熱阻的根本原因。裝配界面間接觸熱阻作為熱管理中用于表征不同組件接觸熱性能的核心參數，一方面，會引起電子器件傳熱效率降低，造成電子器件工作溫度過大；另一方面，會造成接觸表面溫度分布不均勻，局部熱點的存在會引發較高局部熱應力。因此，電子設備裝配界面間接觸熱阻引起的工作溫度過高以及局部熱應力是影響電子器件乃至整個電子系統可靠性及生命周期的關鍵因素，已經成為阻礙新一代電子系統快速發展的關鍵技術難題，也是目前迫切需要解決的工程瓶頸問題。

從接觸熱阻形成的本質出發，其物理本質是由于接觸界面粗糙不平且具有多尺度特征，包含有無數個三維形貌各異和尺寸大小各不相同的微小凸起，導致接觸界面接觸不充分以及接觸不均勻，從而造成接觸熱性能不足。傳統研究中，受限于“材料均質化”加工制造固定思維，長期忽略了裝配界面軟硬程度這一物理屬性的主動設計與應用。然而，裝配界面軟硬程度通過控制微觀接觸變形，決定了最終實際接觸狀態，是影響接觸熱性能的關鍵要素。

發明內容

本發明針對現有技術提升電子設備熱管理性能存在的不足，目的在于提供一種提升裝配界面接觸熱性能的界面軟硬程度設計方法，通過主動設計裝配界面軟硬程度，實現降低裝配界面溫度分布不均勻性及接觸熱阻的目的，有效保障電子設備服役過程中整體性能。

為實現本發明目的，采取的技術解決方案為：

一種提升裝配界面接觸熱性能的界面軟硬程度設計方法，包括以下步驟：

1)沿裝配體厚度方向劃分主裝配界面、從裝配界面與基體區域；溫度由主裝配界面至從裝配界面傳遞，主裝配界面定義為主設計域，從裝配界面定義為從設計域；

2)將主設計域與從設計域沿平行于裝配界面方向劃分M個設計子區域；

3)采用分形法生成給定真實粗糙度下裝配體主、從裝配界面粗糙表面，通過調整網格節點坐標重構粗糙表面，根據實際工況設置載荷與邊界條件，對裝配體進行網格劃分，各設計子區域內的網格單元材料屬性相同；

4)各設計子區域初始材料彈性模量或屈服強度與基體材料相同，通過力-熱-力-熱四循環雙迭代順序熱力耦合過程，構建考慮全要素熱效應影響的接觸熱性能數值分析模型；

5)通過考慮全要素熱效應影響的接觸熱性能數值分析模型進行接觸熱性能數值分析，得到初始材料屬性下主、從裝配界面內單元溫度與熱通量分布結果；

6)根據初始各設計子區域彈性模量或屈服強度、初始各設計子區域主、從裝配界面內單元溫度、熱通量分布結果，進行迭代計算，實現提升裝配界面接觸熱性能的界面軟硬程度設計。

進一步的，步驟6)中進行迭代計算時，采用的優化設計目標函數Δ為：