Indledning
Silikonebaserede afstandsstykker anvendes i vid udstrækning som termiske grænsefladematerialer (TIM) inden for elektronik, effektmoduler og batterisystemer. Deres primære funktion er at udfylde luftspalter mellem varmegenererende komponenter og køleplader, samtidig med at de udligner overfladeruhed og mekaniske tolerancer. Ud over mekanisk fleksibilitet er pudens Termisk ledningsevneVarmeledningsevne (λ med enheden W/(m-K)) beskriver transporten af energi - i form af varme - gennem et masselegeme som følge af en temperaturgradient (se fig. 1). Ifølge termodynamikkens anden lov strømmer varmen altid i retning af den laveste temperatur.varmeledningsevne en af de vigtigste parametre til vurdering af dens egnethed i et specifikt design til termisk styring.
Metode og målebetingelser
For at opnå meningsfulde værdier for varmeledningsevnen, især ved lave temperaturer, suppleres LFA-målingen ideelt set med en bestemmelse af den specifikke varmekapacitet baseret på DSC. Den effektive kombination af LFA-, DSC- og densitetsdata giver et samlet og pålideligt billede af materialets termiske egenskaber.
Derfor blev den termiske diffusivitet målt ved hjælp af Laser Flash Analysis (LFA) ved brug af NETZSCH LFA 717 HyperFlash® . Den specifikke varmekapacitet (Specifik varmekapacitet (cp)Varmekapacitet er en materialespecifik fysisk størrelse, der bestemmes af den mængde varme, der tilføres prøven, divideret med den resulterende temperaturstigning. Den specifikke varmekapacitet er relateret til en masseenhed af prøven.cp) blev bestemt separat ved hjælp af DSC ved brug af NETZSCH DSC 204 F1 Phoenix®. Sammen med prøvens densitet blev den termiske ledningsevne beregnet i henhold til:
hvor
λ = Termisk ledningsevneVarmeledningsevne (λ med enheden W/(m-K)) beskriver transporten af energi - i form af varme - gennem et masselegeme som følge af en temperaturgradient (se fig. 1). Ifølge termodynamikkens anden lov strømmer varmen altid i retning af den laveste temperatur.varmeledningsevne i W/(m·K)
α = Termisk diffusivitetTermisk diffusivitet (a med enheden mm2/s) er en materialespecifik egenskab til karakterisering af ustabil varmeledning. Denne værdi beskriver, hvor hurtigt et materiale reagerer på en temperaturændring.termisk diffusivitet i mm²/s
Specifik varmekapacitet (cp)Varmekapacitet er en materialespecifik fysisk størrelse, der bestemmes af den mængde varme, der tilføres prøven, divideret med den resulterende temperaturstigning. Den specifikke varmekapacitet er relateret til en masseenhed af prøven.cp = Specifik varmekapacitet (cp)Varmekapacitet er en materialespecifik fysisk størrelse, der bestemmes af den mængde varme, der tilføres prøven, divideret med den resulterende temperaturstigning. Den specifikke varmekapacitet er relateret til en masseenhed af prøven.specifik varmekapacitet i J/(g·K)
ρ = massefylde i g/cm³
Målingerne blev udført i en nitrogenatmosfære. DSC-målingen blev anvendt til at bestemme den specifikke varmekapacitet og de energetiske overgange i silikonepuden. I alt blev to prøver testet, og til beregning af varmeledningsevnen blev de gennemsnitligeSpecifik varmekapacitet (cp)Varmekapacitet er en materialespecifik fysisk størrelse, der bestemmes af den mængde varme, der tilføres prøven, divideret med den resulterende temperaturstigning. Den specifikke varmekapacitet er relateret til en masseenhed af prøven.cp-værdier anvendt.
LFA-målingen leverede den temperaturafhængige termiske diffusivitet.
Tabel 1 viser målebetingelserne for DSC og LFA.
Tabel 1: Målebetingelser for DSC og LFA
| Metode | DSC | LFA |
|---|---|---|
| Instrument | DSC 204 F1 Phoenix® | LFA 717 HyperFlash® |
| Atmosfære | Kvælstof | Nitrogen |
| Temperaturprogram | -150 °C til 310 °C | -100 °C til 300 °C |
| Opvarmningshastighed | 10 K/min | 10 K/måned |
| Prøvemasse | Prøve 1: 11,205 mg; Prøve 2: 11,224 mg | - |
| Prøvens dimensioner | Ø 4 mm, 1 mm tyk | 20 mm x 20 mm x 0,8 mm |
| Sensor/termoelement | DSC 204- F1 -t-sensor, type E | MCT, type K |
Resultater
DSC-målingen viser silikonepudens temperaturafhængige specifikke varmekapacitet mellem -150 °C og 310 °C (figur 1). Ved lave temperaturer observeres en glasovergang ved ca. -121 °C. Ændringen i den specifikke varmekapacitet ved glasovergangen er ca. 0,09 J/(g·K). Der forekommer et markant endotermisk top ved ca. -41 °C, hvilket tilskrives smelteovergangen af krystallinske eller ordnede silikone-relaterede domæner. Den målte smelteentalpi er ca. 23 J/g.
Resultaterne viser en gradvis stigning iSpecifik varmekapacitet (cp)Varmekapacitet er en materialespecifik fysisk størrelse, der bestemmes af den mængde varme, der tilføres prøven, divideret med den resulterende temperaturstigning. Den specifikke varmekapacitet er relateret til en masseenhed af prøven.cp med stigende temperatur, som forventet for polymermaterialer. Den endotermiske effekt omkring -41 °C blev ikke anvendt direkte til beregningen af varmeledningsevnen. I stedet blevSpecifik varmekapacitet (cp)Varmekapacitet er en materialespecifik fysisk størrelse, der bestemmes af den mængde varme, der tilføres prøven, divideret med den resulterende temperaturstigning. Den specifikke varmekapacitet er relateret til en masseenhed af prøven.cp-kurven interpoleret på tværs af dette overgangsområde for at undgå, at bidrag fra latent varme indgik i beregningen af varmeledningsevnen.
Silikonepladens termiske diffusivitet falder kontinuerligt med stigende temperatur, se figur 2. Ved lave temperaturer omkring -100 °C er diffusiviteten ca. 0,18 mm²/s. Ved stuetemperatur observeres værdier omkring 0,14 mm²/s. Ved 300 °C falder diffusiviteten til ca. 0,08 mm²/s.
Denne adfærd er typisk for polymerbaserede materialer. Med stigende temperatur bliver fonontransporten mindre effektiv på grund af stigende molekylær mobilitet og forstærkede spredningsprocesser. Som følge heraf falder den termiske diffusivitet, selvom den specifikke varmekapacitet stiger.
Den beregnede Termisk ledningsevneVarmeledningsevne (λ med enheden W/(m-K)) beskriver transporten af energi - i form af varme - gennem et masselegeme som følge af en temperaturgradient (se fig. 1). Ifølge termodynamikkens anden lov strømmer varmen altid i retning af den laveste temperatur.varmeledningsevne forbliver inden for et forholdsvis snævert interval over det undersøgte temperaturområde. Ved lave temperaturer er ledningsevnen ca. 0,25 W/(m·K). Med stigende temperatur falder ledningsevnen og når værdier på ca. 0,17 W/(m·K) ved 300 °C.
Konklusion
Dette eksempel viser, at LFA 717 HyperFlash® leverer pålidelige data for varmeledningsevnen over et bredt temperaturområde – herunder krævende kryogene forhold – takket være dens høje følsomhed og præcise temperaturregulering, selv med langsomtvirkende silikonebaserede kontaktplader. Især i det lave temperaturområde er den supplerende bestemmelse af den specifikke varmekapacitet ved hjælp af DSC afgørende, da kun kombinationen af LFA-data,cp-værdier og densitet muliggør en pålidelig beregning af varmeledningsevnen. Denne evne til at levere pålidelige resultater selv under stuetemperatur er en klar fordel for udviklingen af moderne silikone-TIM'er.