Úvod
Silikonové vyrovnávací podložky se široce používají jako tepelně vodivé materiály (TIM) v elektronice, výkonových modulech a bateriových systémech. Jejich hlavní funkcí je překlenout vzduchové mezery mezi komponenty generujícími teplo a chladiči a zároveň kompenzovat drsnost povrchu a mechanické tolerance. Kromě mechanické pružnosti je Tepelná vodivostTepelná vodivost (λ s jednotkou W/(m-K)) popisuje přenos energie - ve formě tepla - hmotným tělesem v důsledku teplotního gradientu (viz obr. 1). Podle druhého termodynamického zákona teplo vždy proudí ve směru nižší teploty.tepelná vodivost podložky jedním z klíčových parametrů pro posouzení její vhodnosti v konkrétním řešení řízení tepla.
Metoda a podmínky měření
Pro získání smysluplných hodnot tepelné vodivosti, zejména při nízkých teplotách, je měření metodou LFA ideálně doplněno stanovením měrné tepelné kapacity pomocí DSC. Účinná kombinace dat z metod LFA, DSC a měření hustoty poskytuje ucelený a spolehlivý obraz o tepelných vlastnostech materiálu.
Proto byla Tepelná difuzivitaTepelná difuzivita (a s jednotkou mm2/s) je specifická vlastnost materiálu, která charakterizuje nestacionární vedení tepla. Tato hodnota popisuje, jak rychle materiál reaguje na změnu teploty.tepelná difuzivita měřena metodou Laser Flash Analysis (LFA) s využitím systému NETZSCH LFA 717 HyperFlash® . Měrná tepelná kapacita (cp)Tepelná kapacita je fyzikální veličina specifická pro daný materiál, která se určuje jako podíl množství tepla dodaného vzorku a výsledného zvýšení teploty. Měrná tepelná kapacita se vztahuje k jednotkové hmotnosti vzorku.Měrná tepelná kapacita (Měrná tepelná kapacita (cp)Tepelná kapacita je fyzikální veličina specifická pro daný materiál, která se určuje jako podíl množství tepla dodaného vzorku a výsledného zvýšení teploty. Měrná tepelná kapacita se vztahuje k jednotkové hmotnosti vzorku.cp) byla stanovena samostatně metodou DSC s využitím systému NETZSCH DSC 204 F1 Phoenix®. Spolu s hustotou vzorku byla Tepelná vodivostTepelná vodivost (λ s jednotkou W/(m-K)) popisuje přenos energie - ve formě tepla - hmotným tělesem v důsledku teplotního gradientu (viz obr. 1). Podle druhého termodynamického zákona teplo vždy proudí ve směru nižší teploty.tepelná vodivost vypočítána podle vzorce:
kde
λ = Tepelná vodivostTepelná vodivost (λ s jednotkou W/(m-K)) popisuje přenos energie - ve formě tepla - hmotným tělesem v důsledku teplotního gradientu (viz obr. 1). Podle druhého termodynamického zákona teplo vždy proudí ve směru nižší teploty.tepelná vodivost v W/(m·K)
α = Tepelná difuzivitaTepelná difuzivita (a s jednotkou mm2/s) je specifická vlastnost materiálu, která charakterizuje nestacionární vedení tepla. Tato hodnota popisuje, jak rychle materiál reaguje na změnu teploty.tepelná difuzivita v mm²/s
Měrná tepelná kapacita (cp)Tepelná kapacita je fyzikální veličina specifická pro daný materiál, která se určuje jako podíl množství tepla dodaného vzorku a výsledného zvýšení teploty. Měrná tepelná kapacita se vztahuje k jednotkové hmotnosti vzorku.cp = Měrná tepelná kapacita (cp)Tepelná kapacita je fyzikální veličina specifická pro daný materiál, která se určuje jako podíl množství tepla dodaného vzorku a výsledného zvýšení teploty. Měrná tepelná kapacita se vztahuje k jednotkové hmotnosti vzorku.měrná tepelná kapacita v J/(g·K)
ρ = HustotaHmotnostní hustota je definována jako poměr mezi hmotností a objemem. hustota v g/cm³
Měření byla prováděna v atmosféře dusíku. K určení měrné tepelné kapacity a energetických přechodů silikonové podložky bylo použito měření metodou DSC. Celkem byly testovány dva vzorky a pro výpočet tepelné vodivosti byly použity průměrné hodnotyMěrná tepelná kapacita (cp)Tepelná kapacita je fyzikální veličina specifická pro daný materiál, která se určuje jako podíl množství tepla dodaného vzorku a výsledného zvýšení teploty. Měrná tepelná kapacita se vztahuje k jednotkové hmotnosti vzorku.cp.
Měření metodou LFA poskytlo teplotně závislou tepelnou difuzivitu.
Tabulka 1 uvádí měřicí podmínky pro metody DSC a LFA.
Tabulka 1: Podmínky měření pro DSC a LFA
| Metoda | DSC | LFA |
|---|---|---|
| Přístroj | DSC 204 F1 Phoenix® | LFA 717 HyperFlash® |
| Atmosféra | Dusík | Dusík |
| Teplotní program | -150 °C až 310 °C | -100 °C až 300 °C |
| Rychlost ohřevu | 10 K/min | 10 K/min |
| Hmotnost vzorku | Vzorek 1: 11,205 mg; Vzorek 2: 11,224 mg | - |
| Rozměry vzorku | Ø 4 mm, tloušťka 1 mm | 20 mm × 20 mm × 0,8 mm |
| Senzor/termočlánek | DSC 204 F1 , t-snímač, typ E | MCT, typ K |
Výsledky
Měření metodou DSC ukazuje teplotně závislou měrnou tepelnou kapacitu silikonové podložky v rozmezí teplot od -150 °C do 310 °C (obrázek 1). Při nízkých teplotách je pozorován skelný přechod přibližně při -121 °C. Změna měrné tepelné kapacity při skelné transformaci činí přibližně 0,09 J/(g·K). Výrazný endotermický pík se vyskytuje přibližně při -41 °C, což je přičítáno tavené transformaci krystalických nebo uspořádaných silikonových domén. Naměřená entalpie tání činí přibližně 23 J/g.
Výsledky ukazují postupný nárůstMěrná tepelná kapacita (cp)Tepelná kapacita je fyzikální veličina specifická pro daný materiál, která se určuje jako podíl množství tepla dodaného vzorku a výsledného zvýšení teploty. Měrná tepelná kapacita se vztahuje k jednotkové hmotnosti vzorku.cp s rostoucí teplotou, jak se u polymerních materiálů očekává. Endotermický jev v okolí -41 °C nebyl přímo použit pro výpočet tepelné vodivosti. Místo toho byla křivkaMěrná tepelná kapacita (cp)Tepelná kapacita je fyzikální veličina specifická pro daný materiál, která se určuje jako podíl množství tepla dodaného vzorku a výsledného zvýšení teploty. Měrná tepelná kapacita se vztahuje k jednotkové hmotnosti vzorku.cp v této přechodové oblasti interpolována, aby se zabránilo zahrnutí příspěvků latentního tepla do výpočtu vodivosti.
Tepelná difuzivitaTepelná difuzivita (a s jednotkou mm2/s) je specifická vlastnost materiálu, která charakterizuje nestacionární vedení tepla. Tato hodnota popisuje, jak rychle materiál reaguje na změnu teploty.Tepelná difuzivita silikonové podložky s rostoucí teplotou plynule klesá, viz obrázek 2. Při nízkých teplotách kolem -100 °C činí difuzivita přibližně 0,18 mm²/s. Při pokojové teplotě jsou zaznamenány hodnoty kolem 0,14 mm²/s. Při 300 °C se difuzivita snižuje na přibližně 0,08 mm²/s.
Toto chování je typické pro materiály na bázi polymerů. S rostoucí teplotou se přenos fononů stává méně účinným v důsledku zvyšující se molekulární mobility a zesílených rozptylových procesů. V důsledku toho se Tepelná difuzivitaTepelná difuzivita (a s jednotkou mm2/s) je specifická vlastnost materiálu, která charakterizuje nestacionární vedení tepla. Tato hodnota popisuje, jak rychle materiál reaguje na změnu teploty.tepelná difuzivita snižuje, i když se Měrná tepelná kapacita (cp)Tepelná kapacita je fyzikální veličina specifická pro daný materiál, která se určuje jako podíl množství tepla dodaného vzorku a výsledného zvýšení teploty. Měrná tepelná kapacita se vztahuje k jednotkové hmotnosti vzorku.měrná tepelná kapacita zvyšuje.
Vypočtená Tepelná vodivostTepelná vodivost (λ s jednotkou W/(m-K)) popisuje přenos energie - ve formě tepla - hmotným tělesem v důsledku teplotního gradientu (viz obr. 1). Podle druhého termodynamického zákona teplo vždy proudí ve směru nižší teploty.tepelná vodivost se v rámci zkoumaného teplotního intervalu pohybuje v poměrně úzkém rozmezí. Při nízkých teplotách činí vodivost přibližně 0,25 W/(m·K). S rostoucí teplotou vodivost klesá a při 300 °C dosahuje hodnot přibližně 0,17 W/(m·K).
Závěr
Tento příklad ukazuje, že analyzátor LFA ( LFA 717 HyperFlash® ) poskytuje spolehlivé údaje o tepelné difuzivitě v širokém teplotním rozsahu – včetně náročných kryogenních podmínek – díky své vysoké citlivosti a přesné regulaci teploty, a to i při použití pomalu reagujících silikonových rozhraní. Zejména v nízkoteplotním rozsahu je doplňkové stanovení měrné tepelné kapacity pomocí DSC zásadní, protože pouze kombinace dat z LFA, hodnotcp a hustoty umožňuje spolehlivý výpočet tepelné vodivosti. Tato schopnost poskytovat spolehlivé výsledky i při teplotách nižších než pokojová teplota představuje jasnou výhodu pro vývoj moderních silikonových tepelných rozhraní (TIM).