消费品——一种手机用导热胶的力学参数回归.pdfVIP

一种手机用导热胶的力学参数回归 刘明建 维沃移动通信有限公司，广东523860 摘要: 针对某些很软，不易成型的手机用导热材料，用常规测试手段比较难获得其准确的力 学材料参数，本文提出了一种仿真、实验和优化软件结合的反求方法，可以比较准确的反 向寻求出材料的本构参数，解决了工程实际问题。 关键词:手机导热胶本构模型有限元 1. 前言 随着智能机的发展，手机外形做得越来越薄，而系统的配置却越来越高，系统发热问 题也就日益严重，为了解决手机芯片发热的问题，行业内经常会选用导热界面材料简单的 说叫做导热胶减少芯片和手机壳体之间的热阻，从而加强芯片的散热。 同时，手机在设计研发过程中，还有可靠性的要求，产品在大量生产之前需要做大量 的实验验证，在开模之前的设计阶段需要做有限元分析，在这个阶段对设计进行验证和优 化，从而大量的节约设计成本，缩短产品开发周期。 在手机有限元仿真分析过程中，芯片受到的应力包括焊锡和封装材料等的工作应力一 直备受关注的问题，如果在仿真结果中发现芯片应力过大，就需要修改原来的设计甚至重 新设计，直到满足一定的可靠性标准要求。 导热胶作为热设计的主要功能材料，其导热属性一直是很多学者，专家和很多研究部 门高度关注的问题。但是导热胶同时也是一种结构材料，在测试实验和仿真过程中对芯片 的应力有一定的影响，但其影响到底多大，在仿真过程中使用什么本构模型和参数，很难 找到相关的资料。同时本研究的主要原因是，导热胶在跌落试验后 （如图1），变形很大， 流动到附近的导电泡棉上，引起导电泡棉接触不良。因此导热胶的力学特性是进行仿真分 析的前提条件。 图1. 跌落实验后导热胶流到导电泡棉上的示意图 2016 SIMULIA 中国区用户大会1 2. 实验设计和测试过程 为了获得这种导热胶的仿真参数，必须要根据材质本身的特点制作样品进行一系列的力 学实验，例如拉伸，压缩，剪切，挤压等等，通过这些实验，我们可以直接或者间接的得 [1] 到材料的应力-应变关系，然后选取合适的材料本构方程 去拟合这种应力-应变关系，或者 采用优化工具直接拟合得到仿真参数。 2.1 样品形态 当拿到供应商提供的样品 （如图2 ）后，发现在室温下，这种材质比较柔软，呈灰色， 用手捏一下就产生变形，长时间观察，发现变形基本不可恢复，不能直接做成常规的哑铃 型试样；同时发现表面带轻微的粘性，很容易残留在手或其它工具的表面上，很难将其制 成标准的压缩试样，因此利用常规的拉伸和压缩试样的难度比较大，需要另外寻求实验方 法来获取导热胶参数。并且在温度升高过程中，胶体会产生软化，在降温过程中，胶体会 产生轻微硬化。除了温度冲击测试外，在手机常规仿真中，暂时不用考虑温度的变化，因 [2] 此只需要考虑常温下材料的力学特性即可，根据以上特征，初步准备用常温弹塑性 材料 本构去描述这种导热胶的的力学行为。 图2.涂覆在离型纸上的导热胶膜 2.2 治具设计和实验过程 根据样品本身的材质特点，发现样品比较难制成形状良好的规则的拉伸样条和压缩圆 柱体，因此特意设计了一种治具，治具采用不锈钢制作，中心挖一个圆孔，将这种胶挤到 治具里并填充紧密，然后放置一段时间，让胶里面的内应力得到充分释放；同时加工一个 顶针，顶针的直径为圆孔直径的一半，头部做成半球的形状 （如图3 ）。 2 2016 SIMULIA 中国区用户大会 图3.导热胶反挤压测试治具示意图和挤压后的形状 2.3 测试 将治具放到万能试验机上进行测试，首先将治具固定到工作台上，顶针用夹头固定， 采用一定的速率将顶针向下推动，在推动过程中，胶体就会慢慢从圆孔内反向挤压出来， 记录压头受到的力和移动的位移量，就得到如图4 的力位移载荷曲线。 由于胶对温度比较敏感，因此速度不能过快，防止产生温度升高，胶体软化，而产生 非等温压缩情况，如果出现非等温压缩，在力-位移曲线上将出现软化现象，而在仿真