Контрол при ниски температури: прецизно измерване на топлинната проводимост на силиконови термоинтерфейсни материали (TIM) при ниски температури

Въведение

Подложките на силиконова основа се използват широко като термични интерфейсни материали (TIM) в електрониката, силовите модули и акумулаторните системи. Основната им функция е да запълват въздушните междини между компонентите, генериращи топлина, и радиаторите, като същевременно компенсират неравностите на повърхността и механичните допуски. Освен механичната гъвкавост, топлинната проводимост на подложката е един от ключовите параметри за оценка на нейната пригодност в конкретен проект за термично управление.

Метод и условия за измерване

За да се получат значими стойности на топлинната проводимост, особено при ниски температури, измерването чрез LFA в идеалния случай се допълва от определяне на специфичната топлинна мощност чрез DSC. Мощната комбинация от данни от LFA, DSC и плътността предоставя цялостна и надеждна картина на термичните характеристики на материала.

Следователно топлинната дифузия беше измерена чрез лазерно-светкавичен анализ (LFA) с помощта на системата „ NETZSCH “ LFA 717 HyperFlash^®. Специфичната топлинна мощност (_{Специфичен топлинен капацитет (cp)Топлинният капацитет е физична величина, специфична за материала, която се определя от количеството топлина, подадено на образеца, разделено на полученото увеличение на температурата. Специфичният топлинен капацитет се отнася за единица маса на образеца.cp}) беше определена отделно чрез DSC с помощта на системата „ NETZSCH “ DSC 204 F1 Phoenix^®. Заедно с плътността на пробата, топлинната проводимост беше изчислена съгласно:

където

λ = топлинна проводимост в W/(m·K)
α = топлинна дифузия в mm²/s
_{Специфичен топлинен капацитет (cp)Топлинният капацитет е физична величина, специфична за материала, която се определя от количеството топлина, подадено на образеца, разделено на полученото увеличение на температурата. Специфичният топлинен капацитет се отнася за единица маса на образеца.cp} = специфична топлинна мощност в J/(g·K)
ρ = плътност в g/cm³

Измерванията бяха проведени в азотна атмосфера. Измерването с DSC беше използвано за определяне на специфичната топлинна мощност и енергийните преходи на силиконовата подложка. Общо бяха тествани две проби, а за изчисляване на топлинната проводимост бяха взети усреднените стойности_{на Специфичен топлинен капацитет (cp)Топлинният капацитет е физична величина, специфична за материала, която се определя от количеството топлина, подадено на образеца, разделено на полученото увеличение на температурата. Специфичният топлинен капацитет се отнася за единица маса на образеца.cp}.

Измерването с LFA предостави температурно-зависимата топлинна дифузия.

Таблица 1 показва условията на измерване за DSC и LFA.

Таблица 1: Условия за измерване при DSC и LFA

Резултати

Измерването с ДСК показва температурно-зависимата специфична топлинна способност на силиконовата подложка в диапазона от -150 °C до 310 °C (фигура 1). При ниски температури се наблюдава стъклен преход при приблизително -121 °C. Промяната в специфичната топлинна способност при стъкления преход е около 0,09 J/(g·K). При приблизително -41 °C се наблюдава изразен ендотермичен пик, който се приписва на прехода при топене на кристални или подредени силиконови домени. Измерената енталпия на топене е приблизително 23 J/g.

Резултатите показват постепенно увеличаване на_{Специфичен топлинен капацитет (cp)Топлинният капацитет е физична величина, специфична за материала, която се определя от количеството топлина, подадено на образеца, разделено на полученото увеличение на температурата. Специфичният топлинен капацитет се отнася за единица маса на образеца.cp} с повишаването на температурата, както се очаква за полимерните материали. Ендотермичният ефект около -41 °C не беше използван директно за изчисляването на топлинната проводимост. Вместо това кривата_{на Специфичен топлинен капацитет (cp)Топлинният капацитет е физична величина, специфична за материала, която се определя от количеството топлина, подадено на образеца, разделено на полученото увеличение на температурата. Специфичният топлинен капацитет се отнася за единица маса на образеца.cp} беше интерполирана в тази преходна област, за да се избегне включването на приноса от латентната топлина в изчислението на проводимостта.

Термичната дифузивност на силиконовата подложка намалява непрекъснато с повишаването на температурата, виж фигура 2. При ниски температури около -100 °C дифузивността е приблизително 0,18 mm²/s. При стайна температура се наблюдават стойности около 0,14 mm²/s. При 300 °C дифузионната способност намалява до приблизително 0,08 mm²/s.

Това поведение е типично за материалите на полимерна основа. С повишаването на температурата преносът на фонони става по-малко ефективен поради нарастващата молекулна подвижност и засилените процеси на разсейване. В резултат на това топлинната дифузия намалява, въпреки че специфичната топлинна мощност се увеличава.

Изчислената топлинна проводимост остава в сравнително тесен диапазон в рамките на изследвания температурен интервал. При ниски температури проводимостта е приблизително 0,25 W/(m·K). С повишаването на температурата проводимостта намалява и достига стойности от приблизително 0,17 W/(m·K) при 300 °C.

Заключение

Този пример показва, че системата за диффузионно измерване на топлината ( LFA 717 HyperFlash^® ) осигурява надеждни данни за топлинната дифузия в широк температурен диапазон – включително при трудни криогенни условия – благодарение на високата си чувствителност и прецизния температурен контрол, дори при използване на бавно реагиращи силиконови интерфейсни подложки. Особено в нискотемпературния диапазон допълнителното определяне на специфичната топлинна способност чрез ДСК е от решаващо значение, тъй като само комбинацията от данни от ЛФА, стойностите_{на cp} и плътността позволява надеждно изчисляване на топлинната проводимост. Тази способност да се получават надеждни резултати дори при температури под стайната е явно предимство за разработването на съвременни силиконови термоинтерфейсни материали (TIM).