Omówienie termoprzewodzącego arkusza silikonowego w jednym artykule

Tradycyjne materiały przewodzące ciepło składają się głównie z metali (Ag, Cu i Al) i tlenków metali (Al₂O₃, MgO i BeO), a także materiałów nie-metalicznych (grafit, sadza, Si₃N₄ i AlN). W związku z postępem produkcji przemysłowej oraz postępu nauki i technologii na materiały przewodzące ciepło nałożono nowe wymagania. Zaobserwowano zapotrzebowanie na materiały o wyjątkowych kompleksowych właściwościach. W sektorze elektrycznym i elektronicznym wielkość elementów elektronicznych i obwodów logicznych zmniejszyła się tysiące razy w wyniku szybkiego rozwoju technologii integracji i montażu. W związku z tym wymagane są materiały izolacyjne o wysokiej przewodności cieplnej. W ciągu ostatnich kilkudziesięciu lat obszary zastosowań materiałów polimerowych stale się poszerzają. Zastępowanie tradycyjnych materiałów przemysłowych, w szczególności materiałów metalicznych, sztucznie syntetyzowanymi materiałami polimerowymi stało się przedmiotem światowych badań naukowych. I. Czym są termoprzewodzące arkusze silikonowe?

Arkusze silikonowe przewodzące ciepło to rodzaj średniego materiału syntetyzowanego w unikalnym procesie. Proces ten polega na zastosowaniu silikonu jako materiału bazowego i dodaniu różnych materiałów pomocniczych, takich jak tlenki metali. Termoprzewodzący kauczuk silikonowy to polimerowy materiał kompozytowy, który osiąga przewodność cieplną poprzez wypełnienie go proszkiem przewodzącym ciepło i zastosowanie żywicy krzemoorganicznej jako spoiwa.

II. Powszechnie stosowane materiały matrycowe i wypełniacze do termoprzewodzących arkuszy silikonowych

Żywica krzemoorganiczna (podstawowy surowiec)

1. Wypełniacze izolacyjne i przewodzące ciepło: tlenek glinu, tlenek magnezu, azotek boru, azotek glinu, tlenek berylu, kwarc itp. Plastyfikatory krzemoorganiczne

2. Środki zmniejszające palność: wodorotlenek magnezu, wodorotlenek glinu

3. Barwniki nieorganiczne (różnicowanie kolorów)

4. Środek sieciujący (wymagania dotyczące przyczepności)

5. Katalizator (wymagania dotyczące formowania procesowego)

Uwaga: termoprzewodzące podkładki silikonowe pełnią funkcję przewodzenia ciepła, tworząc dobrą ścieżkę przewodzenia ciepła pomiędzy elementem-generującym ciepło a urządzeniem-rozpraszającym ciepło. Razem z radiatorami, łącznikami konstrukcyjnymi (wentylatorami) itp. tworzą moduł odprowadzający ciepło.

Do wypełniaczy zaliczają się następujące wypełniacze metalowe i nieorganiczne:

1. Wypełniacze w postaci proszku metalicznego: proszek miedzi, proszek aluminium, proszek żelaza, proszek cyny, proszek niklu itp.;

2. Tlenki metali: tlenek glinu, tlenek bizmutu, tlenek berylu, tlenek magnezu, tlenek cynku;

3. Azotki metali: azotek glinu, azotek boru, azotek krzemu;

4. Nieorganiczne niemetale-: grafit, węglik krzemu, włókno węglowe, nanorurki węglowe, grafen, węglik berylu itp.

Obraz III. Klasyfikacja termoprzewodzących uszczelek silikonowych
Uszczelki silikonowe przewodzące ciepło można podzielić na: podkładki silikonowe przewodzące ciepło i podkładki silikonowe nie-silikonowe. Właściwości izolacji elektrycznej większości uszczelek silikonowych przewodzących ciepło są ostatecznie określone przez właściwości izolacyjne cząstek wypełniacza.

1. Termoprzewodzące podkładki silikonowe
Termoprzewodzące podkładki silikonowe są dalej podzielone na wiele podkategorii, z których każda ma swoje własne, odrębne cechy.

2. Nie-silikonowe podkładki silikonowe Nie-silikonowe podkładki silikonowe to materiał o wysokiej przewodności cieplnej,-samoprzylepny-dwustronnie. Stosowane w montażu podzespołów elektronicznych wykazują niski opór cieplny i dobre właściwości izolacji elektrycznej przy małej sile ściskającej. Działają stabilnie w temperaturach od -40 do 150 stopni i spełniają normę ognioodporności UL94V0.

IV. Mechanizm przewodności cieplnej silikonu przewodzącego ciepło

Przewodność cieplna silikonu przewodzącego ciepło zależy od interakcji pomiędzy polimerem a wypełniaczem przewodzącym ciepło. Różne typy wypełniaczy mają różne mechanizmy przewodzenia ciepła.

1. Mechanizm przewodnictwa cieplnego wypełniaczy metalowych
Wypełniacze metalowe przewodzą ciepło przede wszystkim poprzez ruch elektronów; procesowi ruchu elektronów towarzyszy wymiana ciepła.

2. Mechanizm przewodnictwa cieplnego-wypełniaczy niemetalowych
Wypełniacze niemetalowe- opierają się głównie na przewodnictwie fononowym; ich szybkość dyfuzji ciepła zależy głównie od wibracji sąsiednich atomów lub grup wiążących. Należą do nich tlenki metali, azotki metali i węgliki.

V. Jak używać termoprzewodzących arkuszy silikonowych

Ogólnie rzecz biorąc, termoprzewodzące podkładki silikonowe powinny zostać uwzględnione w projekcie konstrukcyjnym, sprzętowym i obwodach już na początkowym etapie projektowania. Czynniki, które należy wziąć pod uwagę, obejmują zazwyczaj: przewodność cieplną, konstrukcję konstrukcyjną, kompatybilność elektromagnetyczną, tłumienie drgań i pochłanianie dźwięku oraz instalację i testowanie.

1. Wybór rozwiązania do odprowadzania ciepła: W produktach elektronicznych panuje trend w kierunku mniejszych, cieńszych i lżejszych konstrukcji, zazwyczaj wykorzystujących metody pasywnego chłodzenia, tradycyjnie opierających się na radiatorach. Obecnym trendem jest całkowita eliminacja radiatorów poprzez zastosowanie elementów konstrukcyjnych odprowadzających ciepło (metalowe wsporniki, metalowe obudowy); lub połączenie rozwiązań radiatorów ze strukturalnymi elementami rozpraszającymi ciepło. Rozwiązanie o najlepszym stosunku{{3}wydajności do kosztów należy wybrać w oparciu o różne wymagania systemowe i środowiska.

2. W przypadku stosowania radiatora nie zaleca się stosowania dwustronnej-taśmy przewodzącej ciepło o niskiej przewodności cieplnej; nie zaleca się również stosowania smaru termicznego bez właściwości tłumiących drgania. Sugeruje się użycie do obsługi metalowych haczyków lub plastikowych pinezek, wybierając grubość 0,5 mm... Użycie grubszych termoprzewodzących podkładek silikonowych w połączeniu z innymi metodami zapewnia wygodny montaż i eliminuje potrzebę stosowania podkładu klejącego. Powoduje to znacznie lepsze odprowadzanie ciepła niż dwustronna-taśma termoprzewodząca, a także jest bezpieczniejsza i bardziej niezawodna. Całkowity koszt, obejmujący cenę jednostkową, robociznę i sprzęt, jest bardziej konkurencyjny.

3. Wybierając konstrukcje odprowadzające ciepło, należy wziąć pod uwagę formę strukturalną struktury odprowadzającej ciepło, taką jak lokalne występy lub wgłębienia na powierzchni styku. Należy zachować równowagę pomiędzy konstrukcją konstrukcyjną a rozmiarem termoprzewodzącej podkładki silikonowej. Jeżeli proces na to pozwala, należy unikać stosowania zbyt grubych podkładek silikonowych termoprzewodzących. Aby ułatwić obsługę, ogólnie zaleca się-jednostronne samoprzylepne podłoże, przy czym strona pokryta-klejem jest nałożona na strukturę rozpraszającą ciepło. Ważne jest, aby wybrać podkładkę o dobrym stopniu kompresji, aby zapewnić odpowiedni nacisk na silikonową podkładkę termoprzewodzącą. (Grubość termoprzewodzącej podkładki silikonowej musi przekraczać teoretyczną górną granicę prześwitu między konstrukcją rozpraszającą ciepło a źródłem ciepła, zwykle o 1 mm–2 mm.) Przy wyborze struktur rozpraszających ciepło podczas projektowania płytki PCB należy również wziąć pod uwagę położenie, wysokość i rodzaj opakowania komponentów. Regularne umieszczanie źródeł ciepła może obniżyć koszt konstrukcji odprowadzającej ciepło.

VI. Jak wybrać termoprzewodzące arkusze silikonowe
Dobór przewodności cieplnej zależy przede wszystkim od poboru mocy źródła ciepła oraz zdolności odprowadzania ciepła przez radiator lub konstrukcję odprowadzającą ciepło. Ogólnie rzecz biorąc, chipy o niskiej temperaturze, wysokiej wrażliwości na temperaturę lub wysokiej gęstości strumienia ciepła (zwykle powyżej 0,6 W/cm3 wymagające rozpraszania ciepła, podczas gdy te o powierzchniowej gęstości strumienia ciepła mniejszej niż 0,04 W/cm² wymagają jedynie naturalnej konwekcji) wymagają rozpraszania ciepła i należy wybrać przewodzące ciepło arkusze silikonowe o wyższej przewodności cieplnej. W branży elektroniki użytkowej temperatury złączy chipów na ogół nie mogą przekraczać 85 stopni Celsjusza, a podczas testów w wysokiej-temperaturze zaleca się kontrolowanie temperatury powierzchni chipów poniżej 75 stopni Celsjusza. Elementy całej płytki są w większości-klasy komercyjnej, dlatego zaleca się, aby temperatura wewnętrzna systemu nie przekraczała 50 stopni Celsjusza w temperaturze pokojowej. Powierzchnia pierwszej powierzchni, czyli powierzchnia, z którą może stykać się klient końcowy, powinna w idealnym przypadku mieć temperaturę poniżej 45 stopni Celsjusza w temperaturze pokojowej. Wybór przewodzących ciepło arkuszy silikonowych o wyższej przewodności cieplnej może spełnić wymagania projektowe i pozwolić na pewien margines projektowy.

Uwaga: Gęstość strumienia ciepła: zdefiniowana jako: gęstość strumienia ciepła na jednostkę powierzchni (1 metr kwadratowy) na jednostkę czasu (1. Temperatura złącza (JT) mierzy ilość ciepła, która przechodzi przez płytkę półprzewodnikową do obudowy urządzenia w ciągu sekund. Zwykle jest wyższa niż temperatura obudowy i temperatura powierzchni urządzenia. Temperatura złącza mierzy czas wymagany do rozproszenia ciepła z płytki półprzewodnikowej do obudowy urządzenia, a także opór cieplny.

VII. Czynniki wpływające na przewodność cieplną silikonu przewodzącego ciepło

1. Rodzaj i właściwości materiału osnowy polimerowej: Materiał osnowy o wyższej przewodności cieplnej, lepsze rozproszenie wypełniacza w osnowie oraz lepsze wiązanie pomiędzy osnową a wypełniaczem skutkuje lepszą przewodnością cieplną materiału kompozytowego.

2. Rodzaj wypełniacza: Wyższa przewodność cieplna wypełniacza zazwyczaj prowadzi do lepszej przewodności cieplnej materiału kompozytowego.

3. Kształt wypełniacza: Ogólnie rzecz biorąc, kolejność formowania ścieżek termicznych jest następująca: wąsy > włókna > płatki > granulki. Im łatwiej wypełniacz tworzy ścieżki termiczne, tym lepsza jest przewodność cieplna.

4. Zawartość wypełniacza Rozmieszczenie wypełniaczy w polimerze określa przewodność cieplną materiałów kompozytowych. Gdy zawartość wypełniacza jest niska, wpływ przewodności cieplnej nie jest znaczący; nadmierna zawartość wypełniacza znacznie wpływa na właściwości mechaniczne materiału kompozytowego. Jednakże, gdy zawartość wypełniacza wzrasta do określonej wartości, interakcja między wypełniaczami tworzy w systemie sieć-lub łańcuchową-podobną do sieci. Przewodność cieplna jest optymalna, gdy kierunek tej sieci jest zgodny z kierunkiem przepływu ciepła. Dlatego istnieje krytyczna wartość ilości wypełniacza przewodzącego ciepło.

5. Charakterystyka wiązania pomiędzy wypełniaczem a materiałem osnowy Im wyższy stopień wiązania pomiędzy wypełniaczem a osnową, tym lepsza przewodność cieplna. Użycie odpowiedniego środka sprzęgającego do obróbki powierzchni wypełniacza może zwiększyć przewodność cieplną o 10–20%.