Bevezetés
A szilikon alapú hézagkitöltő párnákat széles körben használják hőátadó anyagként (TIM) az elektronikában, a teljesítménymodulokban és az akkumulátor-rendszerekben. Fő funkciójuk a hőtermelő alkatrészek és a hűtőbordák közötti légrés áthidalása, miközben kiegyenlítik a felületi egyenetlenségeket és a mechanikai tűréshatárokat. A mechanikai rugalmasság mellett a hővezető betét hővezető képessége is az egyik legfontosabb paraméter annak értékeléséhez, hogy alkalmas-e egy adott hőkezelési kialakításban.
Módszer és mérési feltételek
Ahhoz, hogy – különösen alacsony hőmérsékleteken – értelmezhető hővezető képességi értékeket kapjunk, az LFA-mérést ideális esetben DSC-alapú Fajlagos hőkapacitás (cp)A hőkapacitás egy anyagspecifikus fizikai mennyiség, amelyet a mintadarabba juttatott hőmennyiség és az ebből eredő hőmérséklet-emelkedés hányadosa határoz meg. A fajlagos hőkapacitás a minta egységnyi tömegére vonatkozik.fajlagos hőkapacitás-meghatározással egészítik ki. Az LFA, a DSC és a sűrűségi adatok hatékony kombinációja átfogó és megbízható képet ad az anyag hőteljesítményéről.
Ezért a hőterjedési együtthatót lézeres villanáselemzéssel (LFA) mértük az NETZSCH LFA 717 HyperFlash® segítségével. A fajlagos hőkapacitást (Fajlagos hőkapacitás (cp)A hőkapacitás egy anyagspecifikus fizikai mennyiség, amelyet a mintadarabba juttatott hőmennyiség és az ebből eredő hőmérséklet-emelkedés hányadosa határoz meg. A fajlagos hőkapacitás a minta egységnyi tömegére vonatkozik.cp) külön határoztuk meg DSC-vel az NETZSCH DSC 204 F1 Phoenixsegítségével. A hővezető képességet a minta SűrűségA tömegsűrűséget a tömeg és a térfogat arányaként határozzák meg. sűrűségével együtt a következő képlet szerint számítottuk ki:
ahol
λ = Hővezető képességA hővezető képesség (λ, mértékegysége W/(m-K)) az energia - hő formájában történő - szállítását írja le egy tömegtestben a hőmérséklet-gradiens hatására (lásd az 1. ábrát). A termodinamika második törvénye szerint a hő mindig az alacsonyabb hőmérséklet irányába áramlik.hővezető képesség W/(m·K)
α = hőterjedési együttható mm²/s
Fajlagos hőkapacitás (cp)A hőkapacitás egy anyagspecifikus fizikai mennyiség, amelyet a mintadarabba juttatott hőmennyiség és az ebből eredő hőmérséklet-emelkedés hányadosa határoz meg. A fajlagos hőkapacitás a minta egységnyi tömegére vonatkozik.cp = Fajlagos hőkapacitás (cp)A hőkapacitás egy anyagspecifikus fizikai mennyiség, amelyet a mintadarabba juttatott hőmennyiség és az ebből eredő hőmérséklet-emelkedés hányadosa határoz meg. A fajlagos hőkapacitás a minta egységnyi tömegére vonatkozik.fajlagos hőkapacitás J/(g·K)
ρ = SűrűségA tömegsűrűséget a tömeg és a térfogat arányaként határozzák meg. sűrűség g/cm³
A méréseket nitrogénatmoszférában végeztük. A DSC-méréssel határoztuk meg a szilikonbetét Fajlagos hőkapacitás (cp)A hőkapacitás egy anyagspecifikus fizikai mennyiség, amelyet a mintadarabba juttatott hőmennyiség és az ebből eredő hőmérséklet-emelkedés hányadosa határoz meg. A fajlagos hőkapacitás a minta egységnyi tömegére vonatkozik.fajlagos hőkapacitását és energetikai átmeneteit. Összesen két mintát vizsgáltunk, és a Hővezető képességA hővezető képesség (λ, mértékegysége W/(m-K)) az energia - hő formájában történő - szállítását írja le egy tömegtestben a hőmérséklet-gradiens hatására (lásd az 1. ábrát). A termodinamika második törvénye szerint a hő mindig az alacsonyabb hőmérséklet irányába áramlik.hővezető képesség kiszámításához az átlagoltFajlagos hőkapacitás (cp)A hőkapacitás egy anyagspecifikus fizikai mennyiség, amelyet a mintadarabba juttatott hőmennyiség és az ebből eredő hőmérséklet-emelkedés hányadosa határoz meg. A fajlagos hőkapacitás a minta egységnyi tömegére vonatkozik.cp-értékeket vettük figyelembe.
Az LFA-méréssel határoztuk meg a hőterjedési együtthatót hőmérsékletfüggésében.
Az 1. táblázat a DSC- és LFA-mérések feltételeit mutatja be.
1. táblázat: A DSC és az LFA mérési feltételei
| Módszer | DSC | LFA |
|---|---|---|
| Mérőműszer | DSC 204 F1 Phoenix® | LFA 717 HyperFlash® |
| Környezet | Nitrogén | Nitrogén |
| Hőmérsékletprogram | -150 °C – 310 °C | -100 °C – 300 °C |
| Fűtési sebesség | 10 K/perc | 10 K/hónap |
| Minta tömege | 1. minta: 11,205 mg; 2. minta: 11,224 mg | - |
| A minta méretei | Ø 4 mm, 1 mm vastag | 20 mm x 20 mm x 0,8 mm |
| Érzékelő/hőelem | DSC 204 F1 t-érzékelő, E típus | MCT, K típus |
Eredmények
A DSC-mérés a szilikonbetét hőmérsékletfüggő Fajlagos hőkapacitás (cp)A hőkapacitás egy anyagspecifikus fizikai mennyiség, amelyet a mintadarabba juttatott hőmennyiség és az ebből eredő hőmérséklet-emelkedés hányadosa határoz meg. A fajlagos hőkapacitás a minta egységnyi tömegére vonatkozik.fajlagos hőkapacitását mutatja -150 °C és 310 °C között (1. ábra). Alacsony hőmérsékleten, körülbelül -121 °C-on üvegátmenet figyelhető meg. A Fajlagos hőkapacitás (cp)A hőkapacitás egy anyagspecifikus fizikai mennyiség, amelyet a mintadarabba juttatott hőmennyiség és az ebből eredő hőmérséklet-emelkedés hányadosa határoz meg. A fajlagos hőkapacitás a minta egységnyi tömegére vonatkozik.fajlagos hőkapacitás változása az üveges átmenetnél körülbelül 0,09 J/(g·K). Körülbelül -41 °C-on egy kifejezett endoterm csúcs jelentkezik, amely a kristályos vagy rendezett szilikon-kapcsolódó domének olvadási átmenetének tulajdonítható. A mért olvadási entalpia körülbelül 23 J/g.
Az eredmények azt mutatják, hogya Hővezető képességA hővezető képesség (λ, mértékegysége W/(m-K)) az energia - hő formájában történő - szállítását írja le egy tömegtestben a hőmérséklet-gradiens hatására (lásd az 1. ábrát). A termodinamika második törvénye szerint a hő mindig az alacsonyabb hőmérséklet irányába áramlik.hővezető képesség (Fajlagos hőkapacitás (cp)A hőkapacitás egy anyagspecifikus fizikai mennyiség, amelyet a mintadarabba juttatott hőmennyiség és az ebből eredő hőmérséklet-emelkedés hányadosa határoz meg. A fajlagos hőkapacitás a minta egységnyi tömegére vonatkozik.cp) a hőmérséklet emelkedésével fokozatosan növekszik, amint az a polimer anyagok esetében várható. A -41 °C körüli endoterm hatást nem használták fel közvetlenül a Hővezető képességA hővezető képesség (λ, mértékegysége W/(m-K)) az energia - hő formájában történő - szállítását írja le egy tömegtestben a hőmérséklet-gradiens hatására (lásd az 1. ábrát). A termodinamika második törvénye szerint a hő mindig az alacsonyabb hőmérséklet irányába áramlik.hővezető képesség kiszámításához. Ehelyett aFajlagos hőkapacitás (cp)A hőkapacitás egy anyagspecifikus fizikai mennyiség, amelyet a mintadarabba juttatott hőmennyiség és az ebből eredő hőmérséklet-emelkedés hányadosa határoz meg. A fajlagos hőkapacitás a minta egységnyi tömegére vonatkozik.cp-görbét interpolálták ezen az átmeneti tartományon, hogy elkerüljék a látens hő hozzájárulásának figyelembevételét a Hővezető képességA hővezető képesség (λ, mértékegysége W/(m-K)) az energia - hő formájában történő - szállítását írja le egy tömegtestben a hőmérséklet-gradiens hatására (lásd az 1. ábrát). A termodinamika második törvénye szerint a hő mindig az alacsonyabb hőmérséklet irányába áramlik.hővezető képesség számításában.
A szilikonpárna hőterjedési együtthatója a hőmérséklet emelkedésével folyamatosan csökken, lásd a 2. ábrát. Alacsony hőmérsékleten, -100 °C körül, a hőterjedési együttható körülbelül 0,18 mm²/s. Szobahőmérsékleten 0,14 mm²/s körüli értékeket figyelünk meg. 300 °C-on a diffúziós képesség körülbelül 0,08 mm²/s-ra csökken.
Ez a viselkedés jellemző a polimer alapú anyagokra. A hőmérséklet emelkedésével a fononok transzportja kevésbé hatékonnyá válik a molekulák mozgékonyságának növekedése és a fokozott szóródási folyamatok miatt. Ennek következtében a hőterjedési együttható csökken, annak ellenére, hogy a Fajlagos hőkapacitás (cp)A hőkapacitás egy anyagspecifikus fizikai mennyiség, amelyet a mintadarabba juttatott hőmennyiség és az ebből eredő hőmérséklet-emelkedés hányadosa határoz meg. A fajlagos hőkapacitás a minta egységnyi tömegére vonatkozik.fajlagos hőkapacitás nő.
A számított Hővezető képességA hővezető képesség (λ, mértékegysége W/(m-K)) az energia - hő formájában történő - szállítását írja le egy tömegtestben a hőmérséklet-gradiens hatására (lásd az 1. ábrát). A termodinamika második törvénye szerint a hő mindig az alacsonyabb hőmérséklet irányába áramlik.hővezető képesség a vizsgált hőmérsékleti tartományon belül viszonylag szűk tartományban marad. Alacsony hőmérsékleten a Hővezető képességA hővezető képesség (λ, mértékegysége W/(m-K)) az energia - hő formájában történő - szállítását írja le egy tömegtestben a hőmérséklet-gradiens hatására (lásd az 1. ábrát). A termodinamika második törvénye szerint a hő mindig az alacsonyabb hőmérséklet irányába áramlik.hővezető képesség körülbelül 0,25 W/(m·K). A hőmérséklet emelkedésével a Hővezető képességA hővezető képesség (λ, mértékegysége W/(m-K)) az energia - hő formájában történő - szállítását írja le egy tömegtestben a hőmérséklet-gradiens hatására (lásd az 1. ábrát). A termodinamika második törvénye szerint a hő mindig az alacsonyabb hőmérséklet irányába áramlik.hővezető képesség csökken, és 300 °C-on körülbelül 0,17 W/(m·K) értéket ér el.
Következtetés
Ez a példa jól szemlélteti, hogy a LFA 717 HyperFlash® készülék nagy érzékenységének és pontos hőmérséklet-szabályozásának köszönhetően megbízható hőterjedési együttható-adatokat szolgáltat széles hőmérsékleti tartományban – beleértve a kihívást jelentő kriogén körülményeket is –, még lassan reagáló szilikon alapú érintkezőpárnák használata esetén is. Különösen az alacsony hőmérsékleti tartományban elengedhetetlen a Fajlagos hőkapacitás (cp)A hőkapacitás egy anyagspecifikus fizikai mennyiség, amelyet a mintadarabba juttatott hőmennyiség és az ebből eredő hőmérséklet-emelkedés hányadosa határoz meg. A fajlagos hőkapacitás a minta egységnyi tömegére vonatkozik.fajlagos hőkapacitás DSC-vel történő kiegészítő meghatározása, mivel csak az LFA-adatok,a cp-értékek és a SűrűségA tömegsűrűséget a tömeg és a térfogat arányaként határozzák meg. sűrűség kombinációja teszi lehetővé a Hővezető képességA hővezető képesség (λ, mértékegysége W/(m-K)) az energia - hő formájában történő - szállítását írja le egy tömegtestben a hőmérséklet-gradiens hatására (lásd az 1. ábrát). A termodinamika második törvénye szerint a hő mindig az alacsonyabb hőmérséklet irányába áramlik.hővezető képesség megbízható kiszámítását. Ez a képesség, hogy szobahőmérséklet alatt is megbízható eredményeket szolgáltasson, egyértelmű előnyt jelent a modern szilikon alapú hőátadó anyagok (TIM-ek) fejlesztése szempontjából.