مقدمة
تُستخدم وسادات الفجوات المصنوعة من السيليكون على نطاق واسع كمواد واجهة حرارية (TIMs) في الأجهزة الإلكترونية ووحدات الطاقة وأنظمة البطاريات. وتتمثل وظيفتها الرئيسية في سد الفجوات الهوائية بين المكونات المولدة للحرارة والمشتتات الحرارية، مع تعويض خشونة السطح والتفاوتات الميكانيكية. وإلى جانب المرونة الميكانيكية، تُعد الموصلية الحرارية للوسادة أحد المعلمات الرئيسية لتقييم مدى ملاءمتها في تصميم معين لإدارة الحرارة.
الطريقة وظروف القياس
للحصول على قيم موثوقة للموصلية الحرارية، لا سيما عند درجات الحرارة المنخفضة، يُفضل استكمال قياس LFA بتحديد السعة الحرارية النوعية باستخدام تقنية DSC. ويوفر هذا المزيج القوي بين بيانات LFA وDSC وبيانات الكثافة صورة شاملة وموثوقة للأداء الحراري للمادة.
لذلك، تم قياس الانتشار الحراري بواسطة تحليل وميض الليزر (LFA) باستخدام جهاز تحليل وميض الليزر ( NETZSCH ) LFA 717 HyperFlash®. وتم تحديد السعة الحرارية النوعية (cp) بشكل منفصل بواسطة DSC باستخدام جهاز تحليل التباين الحراري ( NETZSCH ) DSC 204 F1 Phoenix®. وبالاقتران مع كثافة العينة، تم حساب الموصلية الحرارية وفقًا للصيغة التالية:
حيث
λ = الموصلية الحرارية بالواط/(م·كلفن)
α = الانتشار الحراري بالمليمتر المربع/ثانية
cp = السعة الحرارية النوعية بالجول/(غ·كلفن)
ρ = الكثافة بالجرام/سم³
أُجريت القياسات في جو من النيتروجين. واستُخدم قياس DSC لتحديد السعة الحرارية النوعية والتحولات الطاقية للوسادة السيليكونية. وإجمالاً، تم اختبار عينتين، ولحساب الموصلية الحرارية، تم أخذ متوسط قيمcp.
وقد وفرت قياسات LFA معامل الانتشار الحراري الذي يعتمد على درجة الحرارة.
يوضح الجدول 1 ظروف القياس لكل من DSC وLFA.
الجدول 1: شروط القياس لكل من DSC وLFA
| الطريقة | DSC | LFA |
|---|---|---|
| الجهاز | DSC 204 F1 Phoenix® | LFA 717 HyperFlash® |
| البيئة | النيتروجين | النيتروجين |
| برنامج درجة الحرارة | من -150 درجة مئوية إلى 310 درجة مئوية | من -100 درجة مئوية إلى 300 درجة مئوية |
| معدل التسخين | 10 كلفن/دقيقة | 10 كلفن/دقيقة |
| كتلة العينة | العينة 1: 11.205 ملغ؛ العينة 2: 11.224 ملغ | - |
| أبعاد العينة | قطر 4 مم، سماكة 1 مم | 20 مم × 20 مم × 0.8 مم |
| المستشعر/المزدوج الحراري | DSC 204 F1 مستشعر درجة الحرارة، النوع E | MCT، النوع K |
النتائج
يُظهر قياس DSC السعة الحرارية النوعية للوسادة السيليكونية التي تعتمد على درجة الحرارة في النطاق بين -150 درجة مئوية و310 درجة مئوية (الشكل 1). وعند درجات الحرارة المنخفضة، يُلاحظ حدوث انتقال زجاجي عند حوالي -121 درجة مئوية. ويبلغ التغير في السعة الحرارية النوعية عند الانتقال الزجاجي حوالي 0.09 جول/(جم·كلفن). وتحدث قمة امتصاصية واضحة عند حوالي -41 درجة مئوية، والتي تُعزى إلى انتقال الذوبان للمجالات البلورية أو المنظمة المرتبطة بالسيليكون. وتبلغ إنثالبي الذوبان المقاسة حوالي 23 جول/جم.
تُظهر النتائج زيادة تدريجية فيقيمة cp مع ارتفاع درجة الحرارة، كما هو متوقع بالنسبة للمواد البوليمرية. ولم يتم استخدام التأثير الممتص للحرارة عند حوالي -41 درجة مئوية بشكل مباشر في حساب الموصلية الحرارية. وبدلاً من ذلك، تم إجراء استيفاء لمنحنىcp عبر هذه المنطقة الانتقالية لتجنب إدراج مساهمات الحرارة الكامنة في حساب الموصلية.
تنخفض قابلية الانتشار الحراري للوسادة السيليكونية بشكل مستمر مع ارتفاع درجة الحرارة، انظر الشكل 2. عند درجات الحرارة المنخفضة التي تبلغ حوالي -100 درجة مئوية، تبلغ قابلية الانتشار حوالي 0.18 مم²/ثانية. أما عند درجة حرارة الغرفة، فتُلاحظ قيم تبلغ حوالي 0.14 مم²/ثانية. وعند 300 درجة مئوية، تنخفض قابلية الانتشار إلى حوالي 0.08 مم²/ثانية.
يُعد هذا السلوك نموذجيًّا للمواد القائمة على البوليمرات. فمع ارتفاع درجة الحرارة، ينخفض كفاءة انتقال الفونونات بسبب زيادة حركة الجزيئات وتزايد عمليات التشتت. ونتيجةً لذلك، تنخفض الموصلية الحرارية، على الرغم من زيادة السعة الحرارية النوعية.
وتبقى الموصلية الحرارية المحسوبة ضمن نطاق ضيق نسبيًا على مدى الفاصل الحراري الذي شملته الدراسة. عند درجات الحرارة المنخفضة، تبلغ الموصلية حوالي 0.25 وات/(م·كلفن). ومع ارتفاع درجة الحرارة، تنخفض الموصلية لتصل إلى قيم تبلغ حوالي 0.17 وات/(م·كلفن) عند 300 درجة مئوية.
الخلاصة
يوضح هذا المثال أن جهاز قياس التباين الحراري ( LFA 717 HyperFlash® ) يوفر بيانات موثوقة عن الانتشار الحراري عبر نطاق واسع من درجات الحرارة – بما في ذلك الظروف المبردة الصعبة – بفضل حساسيته العالية والتحكم الدقيق في درجة الحرارة، حتى عند استخدام وسادات واجهة ذات تفاعل بطيء ومصنوعة من السيليكون. ويُعد التحديد التكميلي للسعة الحرارية النوعية باستخدام جهاز التحليل الحراري التفاضلي (DSC) أمرًا بالغ الأهمية، خاصة في نطاق درجات الحرارة المنخفضة، حيث إن الجمع بين بيانات LFA وقيمالسعة الحرارية النوعية والكثافة هو وحده الذي يتيح حساب الموصلية الحرارية بشكل موثوق. وتُعد هذه القدرة على تقديم نتائج موثوقة حتى عند درجات حرارة أقل من درجة حرارة الغرفة ميزة واضحة لتطوير مواد التوصيل الحراري (TIMs) الحديثة المصنوعة من السيليكون.