Έλεγχος της ψύξης: Ακριβής μέτρηση της θερμικής αγωγιμότητας των TIM σιλικόνης σε χαμηλές θερμοκρασίες

Εισαγωγή

Τα παρεμβύσματα με βάση τη σιλικόνη χρησιμοποιούνται ευρέως ως υλικά θερμικής διασύνδεσης (TIM) στην ηλεκτρονική, στις μονάδες ισχύος και στα συστήματα μπαταριών. Η κύρια λειτουργία τους είναι να γεφυρώνουν τα κενά αέρα μεταξύ των εξαρτημάτων που παράγουν θερμότητα και των ψύκτρων, αντισταθμίζοντας παράλληλα την τραχύτητα της επιφάνειας και τις μηχανικές ανοχές. Εκτός από τη μηχανική συμμόρφωση, η θερμική αγωγιμότητα του ελαστικού είναι μία από τις βασικές παραμέτρους για την αξιολόγηση της καταλληλότητάς του σε ένα συγκεκριμένο σχέδιο θερμικής διαχείρισης.

Μέθοδος και συνθήκες μέτρησης

Για να ληφθούν αξιόπιστες τιμές θερμικής αγωγιμότητας, ειδικά σε χαμηλές θερμοκρασίες, η μέτρηση με τη μέθοδο LFA συμπληρώνεται ιδανικά με τον προσδιορισμό της ειδικής θερμοχωρητικότητας μέσω DSC. Ο ισχυρός συνδυασμός δεδομένων LFA, DSC και πυκνότητας παρέχει μια συνολική και αξιόπιστη εικόνα της θερμικής απόδοσης του υλικού.

Ως εκ τούτου, η θερμική διαχυτότητα μετρήθηκε με ανάλυση Laser Flash (LFA) χρησιμοποιώντας το σύστημα ανάλυσης Laser Flash ( NETZSCH ) LFA 717 HyperFlash^®. Η ειδική θερμοχωρητικότητα (_{Ειδική θερμοχωρητικότητα (cp)Η θερμοχωρητικότητα είναι ένα φυσικό μέγεθος ειδικό για κάθε υλικό, το οποίο καθορίζεται από την ποσότητα θερμότητας που παρέχεται στο δείγμα, διαιρούμενη με την προκύπτουσα αύξηση της θερμοκρασίας. Η ειδική θερμοχωρητικότητα σχετίζεται με τη μονάδα μάζας του δείγματος.cp}) προσδιορίστηκε ξεχωριστά με DSC χρησιμοποιώντας το σύστημα ανάλυσης DSC ( NETZSCH ) DSC 204 F1 Phoenix^®. Μαζί με την πυκνότητα του δείγματος, η θερμική αγωγιμότητα υπολογίστηκε σύμφωνα με τον ακόλουθο τύπο:

όπου

λ = θερμική αγωγιμότητα σε W/(m·K)
α = θερμική διαχυτότητα σε mm²/s
_{Ειδική θερμοχωρητικότητα (cp)Η θερμοχωρητικότητα είναι ένα φυσικό μέγεθος ειδικό για κάθε υλικό, το οποίο καθορίζεται από την ποσότητα θερμότητας που παρέχεται στο δείγμα, διαιρούμενη με την προκύπτουσα αύξηση της θερμοκρασίας. Η ειδική θερμοχωρητικότητα σχετίζεται με τη μονάδα μάζας του δείγματος.cp} = ειδική θερμοχωρητικότητα σε J/(g·K)
ρ = πυκνότητα σε g/cm³

Οι μετρήσεις πραγματοποιήθηκαν σε ατμόσφαιρα αζώτου. Η μέτρηση DSC χρησιμοποιήθηκε για τον προσδιορισμό της ειδικής θερμοχωρητικότητας και των ενεργειακών μεταβάσεων του επιθέματος σιλικόνης. Συνολικά, εξετάστηκαν δύο δείγματα και για τον υπολογισμό της θερμικής αγωγιμότητας χρησιμοποιήθηκαν οι μέσες τιμές_{Ειδική θερμοχωρητικότητα (cp)Η θερμοχωρητικότητα είναι ένα φυσικό μέγεθος ειδικό για κάθε υλικό, το οποίο καθορίζεται από την ποσότητα θερμότητας που παρέχεται στο δείγμα, διαιρούμενη με την προκύπτουσα αύξηση της θερμοκρασίας. Η ειδική θερμοχωρητικότητα σχετίζεται με τη μονάδα μάζας του δείγματος.cp}.

Η μέτρηση LFA παρείχε τη θερμική διαχυτότητα που εξαρτάται από τη θερμοκρασία.

Ο Πίνακας 1 παρουσιάζει τις συνθήκες μέτρησης για τις μεθόδους DSC και LFA.

Πίνακας 1: Συνθήκες μέτρησης για DSC και LFA

Αποτελέσματα

Η μέτρηση DSC δείχνει την εξαρτώμενη από τη θερμοκρασία ειδική θερμοχωρητικότητα του επιθέματος σιλικόνης μεταξύ -150 °C και 310 °C (Σχήμα 1). Σε χαμηλές θερμοκρασίες, παρατηρείται γυάλινη μετάβαση περίπου στους -121 °C. Η μεταβολή της ειδικής θερμοχωρητικότητας κατά τη γυάλινη μετάβαση είναι περίπου 0,09 J/(g·K). Μια έντονη ενδοθερμική κορυφή εμφανίζεται περίπου στους -41 °C, η οποία αποδίδεται στη μετάβαση τήξης κρυσταλλικών ή τακτικών περιοχών που σχετίζονται με τη σιλικόνη. Η μετρηθείσα ενθαλπία τήξης είναι περίπου 23 J/g.

Τα αποτελέσματα δείχνουν μια σταδιακή αύξηση της_{Ειδική θερμοχωρητικότητα (cp)Η θερμοχωρητικότητα είναι ένα φυσικό μέγεθος ειδικό για κάθε υλικό, το οποίο καθορίζεται από την ποσότητα θερμότητας που παρέχεται στο δείγμα, διαιρούμενη με την προκύπτουσα αύξηση της θερμοκρασίας. Η ειδική θερμοχωρητικότητα σχετίζεται με τη μονάδα μάζας του δείγματος.cp} με την αύξηση της θερμοκρασίας, όπως αναμένεται για τα πολυμερή υλικά. Το ενδοθερμικό φαινόμενο γύρω στους -41 °C δεν χρησιμοποιήθηκε άμεσα για τον υπολογισμό της θερμικής αγωγιμότητας. Αντ’ αυτού, η καμπύλη_{της Ειδική θερμοχωρητικότητα (cp)Η θερμοχωρητικότητα είναι ένα φυσικό μέγεθος ειδικό για κάθε υλικό, το οποίο καθορίζεται από την ποσότητα θερμότητας που παρέχεται στο δείγμα, διαιρούμενη με την προκύπτουσα αύξηση της θερμοκρασίας. Η ειδική θερμοχωρητικότητα σχετίζεται με τη μονάδα μάζας του δείγματος.cp} υποβλήθηκε σε παρεμβολή σε αυτή την περιοχή μετάβασης, προκειμένου να αποφευχθεί η συμπερίληψη των συνεισφορών της λανθάνουσας θερμότητας στον υπολογισμό της αγωγιμότητας.

Η θερμική διαχυτότητα του επιθέματος σιλικόνης μειώνεται συνεχώς με την αύξηση της θερμοκρασίας, βλ. Σχήμα 2. Σε χαμηλές θερμοκρασίες γύρω στους -100 °C, η διαχυτότητα είναι περίπου 0,18 mm²/s. Σε θερμοκρασία δωματίου, παρατηρούνται τιμές γύρω στα 0,14 mm²/s. Στους 300 °C, ο συντελεστής διάχυσης μειώνεται σε περίπου 0,08 mm²/s.

Αυτή η συμπεριφορά είναι χαρακτηριστική των υλικών με βάση τα πολυμερή. Με την αύξηση της θερμοκρασίας, η μεταφορά φωνονίων γίνεται λιγότερο αποδοτική λόγω της αυξανόμενης μοριακής κινητικότητας και των ενισχυμένων διαδικασιών σκέδασης. Ως αποτέλεσμα, η θερμική διαχυτότητα μειώνεται, παρόλο που η ειδική θερμοχωρητικότητα αυξάνεται.

Η υπολογισμένη θερμική αγωγιμότητα παραμένει εντός ενός συγκριτικά στενού εύρους κατά τη διάρκεια του εξεταζόμενου θερμοκρασιακού διαστήματος. Σε χαμηλές θερμοκρασίες, η αγωγιμότητα είναι περίπου 0,25 W/(m·K). Με την αύξηση της θερμοκρασίας, η αγωγιμότητα μειώνεται και φτάνει σε τιμές περίπου 0,17 W/(m·K) στους 300 °C.

Συμπέρασμα

Το παράδειγμα αυτό καταδεικνύει ότι το σύστημα ανάλυσης θερμικής δυναμικής ( LFA 717 HyperFlash^® ) παρέχει αξιόπιστα δεδομένα θερμικής διαχυτότητας σε ένα ευρύ φάσμα θερμοκρασιών – συμπεριλαμβανομένων των απαιτητικών κρυογονικών συνθηκών – χάρη στην υψηλή ευαισθησία και τον ακριβή έλεγχο της θερμοκρασίας που διαθέτει, ακόμη και όταν χρησιμοποιούνται επιφανειακά μαξιλάρια με βάση τη σιλικόνη που αντιδρούν αργά. Ειδικά στο εύρος των χαμηλών θερμοκρασιών, ο συμπληρωματικός προσδιορισμός της ειδικής θερμοχωρητικότητας με τη χρήση DSC είναι κρίσιμος, καθώς μόνο ο συνδυασμός των δεδομένων LFA, των τιμών_cp και της πυκνότητας επιτρέπει τον αξιόπιστο υπολογισμό της θερμικής αγωγιμότητας. Αυτή η ικανότητα παροχής αξιόπιστων αποτελεσμάτων ακόμη και κάτω από τη θερμοκρασία δωματίου αποτελεί σαφές πλεονέκτημα για την ανάπτυξη σύγχρονων TIM σιλικόνης.