Johdanto
Silikonipohjaisia välikappaleita käytetään laajalti lämmönsiirtomateriaaleina (TIM) elektroniikassa, tehomoduuleissa ja akkujärjestelmissä. Niiden päätehtävänä on täyttää lämpöä tuottavien komponenttien ja jäähdytyselementtien väliset ilmarakot sekä tasoittaa pinnan epätasaisuuksia ja mekaanisia toleransseja. Mekaanisen joustavuuden lisäksi tyynyn LämmönjohtavuusLämmönjohtavuus (λ, yksikkö W/(m-K)) kuvaa lämmön muodossa olevan energian kulkeutumista massakappaleen läpi lämpötilagradientin vaikutuksesta (ks. kuva 1). Termodynamiikan toisen lain mukaan lämpö virtaa aina alemman lämpötilan suuntaan.lämmönjohtavuus on yksi keskeisistä parametreista, joiden perusteella arvioidaan sen sopivuutta tiettyyn lämmönhallintaratkaisuun.
Menetelmä ja mittausolosuhteet
Jotta lämmönjohtavuusarvoista saadaan merkityksellisiä tuloksia, etenkin alhaisissa lämpötiloissa, LFA-mittausta täydentää ihannetapauksessa DSC-menetelmään perustuva ominaislämpökapasiteetin määrittäminen. LFA-, DSC- ja tiheystietojen tehokas yhdistelmä tarjoaa kattavan ja luotettavan kuvan materiaalin lämpöominaisuuksista.
Siksi lämmönleviämiskyky mitattiin laserflash-analyysillä (LFA) käyttäen NETZSCH LFA 717 HyperFlash® . Ominaislämpökapasiteetti (cp)Lämpökapasiteetti on materiaalikohtainen fysikaalinen suure, joka määräytyy näytteeseen syötetyn lämmön määrän ja siitä aiheutuvan lämpötilan nousun perusteella. Ominaislämpökapasiteetti suhteutetaan näytteen massayksikköön.Ominaislämpökapasiteetti (Ominaislämpökapasiteetti (cp)Lämpökapasiteetti on materiaalikohtainen fysikaalinen suure, joka määräytyy näytteeseen syötetyn lämmön määrän ja siitä aiheutuvan lämpötilan nousun perusteella. Ominaislämpökapasiteetti suhteutetaan näytteen massayksikköön.cp) määritettiin erikseen DSC-menetelmällä käyttäen NETZSCH DSC 204 F1 Phoenix®. Lämpöjohtavuus laskettiin yhdessä näytteen tiheyden kanssa seuraavan kaavan mukaisesti:
jossa
λ = LämmönjohtavuusLämmönjohtavuus (λ, yksikkö W/(m-K)) kuvaa lämmön muodossa olevan energian kulkeutumista massakappaleen läpi lämpötilagradientin vaikutuksesta (ks. kuva 1). Termodynamiikan toisen lain mukaan lämpö virtaa aina alemman lämpötilan suuntaan.lämmönjohtavuus, W/(m·K)
α = lämmönleviämiskerroin, mm²/s
Ominaislämpökapasiteetti (cp)Lämpökapasiteetti on materiaalikohtainen fysikaalinen suure, joka määräytyy näytteeseen syötetyn lämmön määrän ja siitä aiheutuvan lämpötilan nousun perusteella. Ominaislämpökapasiteetti suhteutetaan näytteen massayksikköön.cp = ominaislämpökapasiteetti, J/(g·K)
ρ = TiheysMassatiheys määritellään massan ja tilavuuden suhteena. tiheys, g/cm³
Mittaukset suoritettiin typpiatmosfäärissä. DSC-mittausta käytettiin silikonityynyn ominaislämpökapasiteetin ja energiasiirtymien määrittämiseen. Testattiin yhteensä kaksi näytettä, ja lämmönjohtavuuden laskemiseksi käytettiin keskimääräisiäOminaislämpökapasiteetti (cp)Lämpökapasiteetti on materiaalikohtainen fysikaalinen suure, joka määräytyy näytteeseen syötetyn lämmön määrän ja siitä aiheutuvan lämpötilan nousun perusteella. Ominaislämpökapasiteetti suhteutetaan näytteen massayksikköön.cp- arvoja.
LFA-mittauksella saatiin lämpötilariippuvainen lämmönleviämiskerroin.
Taulukossa 1 esitetään DSC- ja LFA-mittausten olosuhteet.
Taulukko 1: DSC- ja LFA-mittausten olosuhteet
| Menetelmä | DSC | LFA |
|---|---|---|
| Laite | DSC 204 F1 Phoenix® | LFA 717 HyperFlash® |
| Ilmakehä | Typpi | Typpi |
| Lämpötilaohjelma | -150 °C – 310 °C | –100 °C – 300 °C |
| Lämmitysnopeus | 10 K/min | 10 K/min |
| Näytteen massa | Näyte 1: 11,205 mg; Näyte 2: 11,224 mg | - |
| Näytteen mitat | Ø 4 mm, paksuus 1 mm | 20 mm x 20 mm x 0,8 mm |
| Anturi/lämpöpar | DSC 204 F1 t-anturi, tyyppi E | MCT, tyyppi K |
Tulokset
DSC-mittaus osoittaa silikonityynyn lämpötilariippuvaisen ominaislämpökapasiteetin välillä -150 °C – 310 °C (kuva 1). Alhaisissa lämpötiloissa lasittumiskohdan havaitaan tapahtuvan noin -121 °C:ssa. Ominaislämpökapasiteetin muutos lasittumiskohdassa on noin 0,09 J/(g·K). Noin -41 °C:ssa esiintyy selvä EndoterminenNäytteen siirtyminen tai reaktio on endoterminen, jos muuntumiseen tarvitaan lämpöä.endoterminen piikki, joka johtuu kiteisten tai järjestäytyneiden silikonipitoisten alueiden sulamiskohdasta. Mitattu sulamisentalpia on noin 23 J/g.
Tulokset osoittavat, ettäOminaislämpökapasiteetti (cp)Lämpökapasiteetti on materiaalikohtainen fysikaalinen suure, joka määräytyy näytteeseen syötetyn lämmön määrän ja siitä aiheutuvan lämpötilan nousun perusteella. Ominaislämpökapasiteetti suhteutetaan näytteen massayksikköön.cp-arvo kasvaa asteittain lämpötilan noustessa, kuten polymeerimateriaaleilta odotetaan. Noin -41 °C:n kohdalla havaittua endotermistä ilmiötä ei käytetty suoraan lämmönjohtavuuden laskennassa. Sen sijaanOminaislämpökapasiteetti (cp)Lämpökapasiteetti on materiaalikohtainen fysikaalinen suure, joka määräytyy näytteeseen syötetyn lämmön määrän ja siitä aiheutuvan lämpötilan nousun perusteella. Ominaislämpökapasiteetti suhteutetaan näytteen massayksikköön.cp-käyrää interpoloitiin tämän siirtymäalueen yli, jotta latenttilämmön vaikutukset eivät tulisi mukaan lämmönjohtavuuden laskelmiin.
Silikonityynyn lämmönleviämiskerroin pienenee jatkuvasti lämpötilan noustessa, ks. kuva 2. Alhaisissa lämpötiloissa, noin -100 °C:ssa, levitettävyys on noin 0,18 mm²/s. Huoneenlämpötilassa arvoiksi mitataan noin 0,14 mm²/s. 300 °C:ssa diffuusiokyky laskee noin 0,08 mm²/s:iin.
Tämä käyttäytyminen on tyypillistä polymeeripohjaisille materiaaleille. Lämpötilan noustessa fononien kulku tehostuu molekyylien liikkuvuuden lisääntyessä ja sirontailmiöiden voimistuessa. Tämän seurauksena LämmönjohtavuusLämmönjohtavuus (λ, yksikkö W/(m-K)) kuvaa lämmön muodossa olevan energian kulkeutumista massakappaleen läpi lämpötilagradientin vaikutuksesta (ks. kuva 1). Termodynamiikan toisen lain mukaan lämpö virtaa aina alemman lämpötilan suuntaan.lämmönjohtavuus pienenee, vaikka ominaislämpökapasiteetti kasvaakin.
Laskettu LämmönjohtavuusLämmönjohtavuus (λ, yksikkö W/(m-K)) kuvaa lämmön muodossa olevan energian kulkeutumista massakappaleen läpi lämpötilagradientin vaikutuksesta (ks. kuva 1). Termodynamiikan toisen lain mukaan lämpö virtaa aina alemman lämpötilan suuntaan.lämmönjohtavuus pysyy suhteellisen kapealla alueella tutkittavalla lämpötila-alueella. Alhaisissa lämpötiloissa LämmönjohtavuusLämmönjohtavuus (λ, yksikkö W/(m-K)) kuvaa lämmön muodossa olevan energian kulkeutumista massakappaleen läpi lämpötilagradientin vaikutuksesta (ks. kuva 1). Termodynamiikan toisen lain mukaan lämpö virtaa aina alemman lämpötilan suuntaan.lämmönjohtavuus on noin 0,25 W/(m·K). Lämpötilan noustessa LämmönjohtavuusLämmönjohtavuus (λ, yksikkö W/(m-K)) kuvaa lämmön muodossa olevan energian kulkeutumista massakappaleen läpi lämpötilagradientin vaikutuksesta (ks. kuva 1). Termodynamiikan toisen lain mukaan lämpö virtaa aina alemman lämpötilan suuntaan.lämmönjohtavuus pienenee ja saavuttaa arvon noin 0,17 W/(m·K) 300 °C:ssa.
Johtopäätös
Tämä esimerkki osoittaa, että LFA 717 HyperFlash® -laite tuottaa luotettavia lämmönjohtavuustietoja laajalla lämpötila-alueella – mukaan lukien haastavat kryogeeniset olosuhteet – korkean herkkyytensä ja tarkan lämpötilansäätönsä ansiosta, jopa hitaasti reagoivien silikonipohjaisten rajapintatyynyjen kanssa. Erityisesti matalissa lämpötiloissa on ratkaisevan tärkeää määrittää myös ominaislämpökapasiteetti DSC-menetelmällä, sillä vain LFA-tietojen,cp-arvojen ja tiheyden yhdistelmä mahdollistaa lämmönjohtavuuden luotettavan laskennan. Tämä kyky tuottaa luotettavia tuloksia jopa huoneenlämpötilaa alemmissa lämpötiloissa on selkeä etu nykyaikaisten silikonipohjaisten lämmönsiirtoaineiden (TIM) kehittämisessä.