Razumite toplinski vodljivi silikonski list u jednom članku

Tradicionalni toplinski vodljivi materijali sastoje se prvenstveno od metala (Ag, Cu i Al) i metalnih oksida (Al₂O₃, MgO i BeO), kao i ne-metalnih materijala (grafita, čađe, Si₃N₄ i AlN). Novi zahtjevi nametnuti su toplinski vodljivim materijalima kao rezultat napretka industrijske proizvodnje te znanosti i tehnologije. Uočena je želja za materijalima s iznimnim sveobuhvatnim svojstvima. U električnom i elektroničkom sektoru, veličina elektroničkih komponenti i logičkih sklopova smanjila se tisućama puta kao rezultat brzog razvoja tehnologija integracije i sklapanja. Stoga su potrebni izolacijski materijali visoke toplinske vodljivosti. Posljednjih nekoliko desetljeća područja primjene polimernih materijala stalno se šire. Zamjena tradicionalnih industrijskih materijala, posebice metalnih materijala, umjetno sintetiziranim polimernim materijalima postala je žarište globalnih znanstvenih istraživanja. I. Što su toplinski provodljive silikonske ploče?

Silikonske ploče koje su toplinski vodljive vrsta su srednjeg materijala koji se sintetizira kroz jedinstveni proces. Ovaj proces uključuje upotrebu silikona kao osnovnog materijala i dodavanje raznih pomoćnih materijala, kao što su metalni oksidi. Toplinski vodljiva silikonska guma je polimerni kompozitni materijal koji toplinsku vodljivost postiže punjenjem toplinski vodljivim prahom i korištenjem organosilicijske smole kao veziva.

II. Uobičajeni matrični materijali i punila za toplinski vodljive silikonske ploče

Organosilikonska smola (osnovna sirovina)

1. Izolacijska i toplinski vodljiva punila: glinica, magnezijev oksid, borov nitrid, aluminijev nitrid, berilijev oksid, kvarc, itd. Organosilicijski plastifikatori

2. Usporivači plamena: magnezijev hidroksid, aluminijev hidroksid

3. Anorganska bojila (Razlikovanje boja)

4. Sredstvo za umrežavanje (zahtjevi za performanse prianjanja)

5. Katalizator (zahtjevi za proces kalupljenja)

Napomena: Silikonski jastučići koji provode toplinu imaju funkciju toplinske vodljivosti, tvoreći dobru stazu toplinske vodljivosti između elementa koji-generira toplinu i uređaja-za raspršivanje topline. Zajedno s hladnjakom, konstrukcijskim pričvrsnim elementima (ventilatorima) itd., oni čine modul za odvođenje topline.

Punila uključuju sljedeća metalna i anorganska punila:

1. Punila u obliku metalnog praha: bakreni prah, aluminijski prah, željezni prah, kositreni prah, prah nikla itd.;

2. Metalni oksidi: aluminijev oksid, bizmutov oksid, berilijev oksid, magnezijev oksid, cinkov oksid;

3. Metal... Nitridi: Aluminijev nitrid, Bor nitrid, Silicij nitrid;

4. Anorganski ne-metali: grafit, silicijev karbid, karbonska vlakna, karbonske nanocijevi, grafen, berilijev karbid itd.

Slika III. Klasifikacija toplinski provodljivih silikonskih brtvila
Toplinski vodljive silikonske brtve mogu se podijeliti na: toplinski vodljive silikonske jastučiće i ne-silikonske silikonske jastučiće. Svojstva električne izolacije većine toplinski vodljivih silikonskih brtvi u konačnici su određena izolacijskim svojstvima čestica punila.

1. Toplinski provodljivi silikonski jastučići
Toplinski provodljivi silikonski jastučići dalje su podijeljeni u mnoge podkategorije, od kojih svaka ima svoje posebne karakteristike.

2. Ne-silikonski silikonski jastučići Ne-silikonski silikonski jastučići su materijal visoke toplinske vodljivosti, dvostrano-samo{4}}ljepljivi. Kada se koriste u sklopu elektroničkih komponenti, pokazuju nisku toplinsku otpornost i dobra električna izolacijska svojstva pod malom tlačnom silom. Rade stabilno od -40 stupnjeva do 150 stupnjeva i zadovoljavaju UL94V0 ocjenu za usporavanje plamena.

IV. Mehanizam toplinske vodljivosti toplinski vodljivog silikona

Toplinska vodljivost toplinski vodljivog silikona ovisi o interakciji između polimera i toplinski vodljivog punila. Različite vrste punila imaju različite mehanizme toplinske vodljivosti.

1. Mehanizam toplinske vodljivosti metalnih punila
Metalna punila prvenstveno provode toplinu kroz kretanje elektrona; proces kretanja elektrona prati prijenos topline.

2. Mehanizam toplinske vodljivosti ne-metalnih punila
Ne{0}}metalna punila primarno se oslanjaju na fononsku vodljivost; njihova brzina difuzije topline uglavnom ovisi o vibraciji susjednih atoma ili veznih skupina. To uključuje metalne okside, metalne nitride i karbide.

V. Kako koristiti toplinski vodljive silikonske ploče

Općenito, toplinski provodljive silikonske jastučiće treba uključiti u konstrukcijski, hardverski i strujni dizajn od početne faze projektiranja. Čimbenici koje treba uzeti u obzir obično uključuju: toplinsku vodljivost, konstrukcijski dizajn, elektromagnetsku kompatibilnost, prigušivanje vibracija i apsorpciju zvuka te instalaciju i ispitivanje.

1. Odabir rješenja za odvođenje topline: Elektronički proizvodi teže prema manjim, tanjim i lakšim dizajnima, općenito koristeći metode pasivnog hlađenja, tradicionalno oslanjajući se na hladnjake. Trenutačni trend je potpuno uklanjanje hladnjaka, korištenjem strukturnih komponenti za raspršivanje topline (metalni nosači, metalna kućišta); ili kombiniranje rješenja hladnjaka sa strukturnim komponentama za raspršivanje topline. Rješenje s najboljim omjerom cijene-izvedbe treba odabrati na temelju različitih zahtjeva sustava i okruženja.

2. Ako koristite rješenje hladnjaka, ne preporučuje se korištenje toplinski vodljive dvo-strane trake niske toplinske vodljivosti; niti se preporučuje korištenje termalne masti bez mogućnosti prigušivanja vibracija. Predlaže se korištenje metalnih kuka ili plastičnih igala za rad, odabirom 0,5 mm... Korištenje debljih toplinski provodljivih silikonskih jastučića u kombinaciji s drugim metodama nudi praktičnu instalaciju i eliminira potrebu za ljepljivom podlogom. To rezultira znatno boljim odvođenjem topline od dvostrane toplinski vodljive trake, a sigurnije je i pouzdanije. Ukupni trošak, uključujući jediničnu cijenu, rad i opremu, je konkurentniji.

3. Pri odabiru konstrukcija za odvođenje topline potrebno je uzeti u obzir strukturni oblik konstrukcije za odvođenje topline, kao što su lokalne izbočine ili udubljenja na dodirnoj površini. Mora se pronaći ravnoteža između konstrukcijskog dizajna i veličine toplinski provodljive silikonske podloge. Ako postupak dopušta, preporučljivo je izbjegavati odabir pretjerano debelih silikonskih jastučića koji provode toplinu. Radi lakšeg rada općenito se preporučuje jedno-strano ljepljiva podloga, pri čemu se ljepljivo-strana nanosi na strukturu za raspršivanje topline. Ključno je odabrati jastučić s dobrim omjerom kompresije kako bi se osigurao dovoljan pritisak na toplinski vodljivi silikonski jastučić. (Debljina toplinski vodljive silikonske podloge mora premašiti teoretsku gornju granicu razmaka između strukture za raspršivanje topline i izvora topline, obično za 1 mm-2 mm.) Prilikom odabira struktura za raspršivanje topline, položaj, visinu i vrstu pakiranja komponenti također treba uzeti u obzir tijekom rasporeda PCB-a. Redovito postavljanje izvora topline može smanjiti troškove strukture za odvod topline.

VI. Kako odabrati toplinski vodljive silikonske ploče
Odabir toplinske vodljivosti prvenstveno ovisi o potrošnji energije izvora topline i kapacitetu odvođenja topline hladnjaka ili konstrukcije za odvođenje topline. Općenito, čipovi s niskotemperaturnim specifikacijama, visokom temperaturnom osjetljivošću ili velikom gustoćom toplinskog toka (općenito veći od 0,6 W/cm³ zahtijevaju disipaciju topline, dok oni s površinskom gustoćom toplinskog toka manjom od 0,04 W/cm² zahtijevaju samo prirodnu konvekciju) zahtijevaju disipaciju topline, a potrebno je odabrati toplinski vodljive silikonske ploče s većom toplinskom vodljivošću. U industriji potrošačke elektronike, temperature spojeva čipova općenito ne smiju prelaziti 85 stupnjeva Celzijusa, a preporučuje se kontrolirati temperaturu površine čipa ispod 75 stupnjeva Celzijusa tijekom testiranja na visokim-temperaturama. Komponente cijele ploče su uglavnom komercijalne-razrede, pa se preporučuje da unutarnja temperatura sustava ne prelazi 50 stupnjeva Celzija na sobnoj temperaturi. Površina prve površine, odnosno površine s kojom krajnji kupac može kontaktirati, idealno bi trebala imati temperaturu ispod 45 stupnjeva Celzijusa na sobnoj temperaturi. Odabir toplinski vodljivih silikonskih ploča s većom toplinskom vodljivošću može zadovoljiti zahtjeve dizajna i omogućiti određenu marginu dizajna.

Napomena: Gustoća toplinskog toka: definirana kao: gustoća toplinskog toka po jedinici površine (1 kvadratni metar) po jedinici vremena (1 Temperatura spoja (JT) mjeri količinu topline koja prolazi kroz poluvodičku pločicu do pakiranog kućišta uređaja u sekundama. Obično je viša od temperature kućišta i površine uređaja. Temperatura spoja mjeri vrijeme potrebno za rasipanje topline od poluvodičke pločice do pakiranog kućišta uređaja, kao kao i toplinski otpor.

VII. Čimbenici koji utječu na toplinsku vodljivost toplinski vodljivog silikona

1. Vrsta i svojstva materijala polimerne matrice: Materijal matrice veće toplinske vodljivosti, bolja disperzija punila u matrici i bolja veza između matrice i punila rezultiraju boljom toplinskom vodljivošću kompozitnog materijala.

2. Vrsta punila: Veća toplinska vodljivost punila općenito dovodi do bolje toplinske vodljivosti kompozitnog materijala.

3. Oblik punila: Općenito, redoslijed lakoće oblikovanja toplinskih putova je brkovi > vlakna > pahuljice > granule. Što je punilu lakše formirati toplinske putove, to je toplinska vodljivost bolja.

4. Sadržaj punila Raspodjela punila unutar polimera određuje toplinsku vodljivost kompozitnih materijala. Kada je sadržaj punila nizak, učinak toplinske vodljivosti nije značajan; kada je sadržaj punila prekomjeran, mehanička svojstva kompozitnog materijala su uvelike pogođena. Međutim, kada se sadržaj punila poveća do određene vrijednosti, interakcija između punila tvori mrežu-poput lančane-poput toplinski vodljive mreže u sustavu. Toplinska vodljivost je optimalna kada je smjer ove mreže usklađen sa smjerom protoka topline. Stoga postoji kritična vrijednost za količinu toplinski vodljivog punila.

5. Karakteristike vezivanja između materijala punila i matrice Što je veći stupanj vezivanja između punila i matrice, to je bolja toplinska vodljivost. Korištenje prikladnog sredstva za spajanje za obradu površine punila može povećati toplinsku vodljivost za 10%-20%.