Pendahuluan
Bantalan celah berbahan dasar silikon banyak digunakan sebagai bahan antarmuka termal (TIM) dalam perangkat elektronik, modul daya, dan sistem baterai. Fungsi utamanya adalah menjembatani celah udara antara komponen penghasil panas dan pendingin, sekaligus mengkompensasi kekasaran permukaan dan toleransi mekanis. Selain kepatuhan mekanis, Konduktivitas TermalKonduktivitas termal (λ dengan satuan W/(m-K)) menggambarkan pengangkutan energi - dalam bentuk panas - melalui benda bermassa sebagai hasil dari gradien suhu (lihat gbr. 1). Menurut hukum termodinamika kedua, panas selalu mengalir ke arah suhu yang lebih rendah.konduktivitas termal bantalan merupakan salah satu parameter kunci untuk mengevaluasi kesesuaiannya dalam desain manajemen termal tertentu.
Metode dan Kondisi Pengukuran
Untuk memperoleh nilai Konduktivitas TermalKonduktivitas termal (λ dengan satuan W/(m-K)) menggambarkan pengangkutan energi - dalam bentuk panas - melalui benda bermassa sebagai hasil dari gradien suhu (lihat gbr. 1). Menurut hukum termodinamika kedua, panas selalu mengalir ke arah suhu yang lebih rendah.konduktivitas termal yang bermakna, terutama pada suhu rendah, pengukuran LFA idealnya dilengkapi dengan penentuan kapasitas panas jenis berbasis DSC. Kombinasi yang kuat antara data LFA, DSC, dan KepadatanDensitas massa didefinisikan sebagai rasio antara massa dan volume. kepadatan memberikan gambaran menyeluruh dan dapat diandalkan mengenai kinerja termal bahan tersebut.
Oleh karena itu, Difusivitas TermalDifusivitas termal (a dengan satuan mm2 /s) adalah properti khusus material untuk mengkarakterisasi konduksi panas yang tidak stabil. Nilai ini menggambarkan seberapa cepat suatu bahan bereaksi terhadap perubahan suhu.difusivitas termal diukur dengan Analisis Sinar Laser (Laser Flash Analysis) menggunakan NETZSCH LFA 717 HyperFlash® . Kapasitas panas jenis (Kapasitas Panas Spesifik (cp)Kapasitas panas adalah kuantitas fisik spesifik material, ditentukan oleh jumlah panas yang disuplai ke spesimen, dibagi dengan kenaikan suhu yang dihasilkan. Kapasitas panas spesifik terkait dengan satuan massa spesimen.cp) ditentukan secara terpisah dengan DSC menggunakan NETZSCH DSC 204 F1 Phoenix®. Bersama dengan KepadatanDensitas massa didefinisikan sebagai rasio antara massa dan volume. kepadatan sampel, Konduktivitas TermalKonduktivitas termal (λ dengan satuan W/(m-K)) menggambarkan pengangkutan energi - dalam bentuk panas - melalui benda bermassa sebagai hasil dari gradien suhu (lihat gbr. 1). Menurut hukum termodinamika kedua, panas selalu mengalir ke arah suhu yang lebih rendah.konduktivitas termal dihitung berdasarkan:
dengan
λ = Konduktivitas TermalKonduktivitas termal (λ dengan satuan W/(m-K)) menggambarkan pengangkutan energi - dalam bentuk panas - melalui benda bermassa sebagai hasil dari gradien suhu (lihat gbr. 1). Menurut hukum termodinamika kedua, panas selalu mengalir ke arah suhu yang lebih rendah.konduktivitas termal dalam W/(m·K)
α = Difusivitas TermalDifusivitas termal (a dengan satuan mm2 /s) adalah properti khusus material untuk mengkarakterisasi konduksi panas yang tidak stabil. Nilai ini menggambarkan seberapa cepat suatu bahan bereaksi terhadap perubahan suhu.difusivitas termal dalam mm²/s
Kapasitas Panas Spesifik (cp)Kapasitas panas adalah kuantitas fisik spesifik material, ditentukan oleh jumlah panas yang disuplai ke spesimen, dibagi dengan kenaikan suhu yang dihasilkan. Kapasitas panas spesifik terkait dengan satuan massa spesimen.cp = kapasitas panas jenis dalam J/(g·K)
ρ = massa jenis dalam g/cm³
Pengukuran dilakukan dalam atmosfer nitrogen. Pengukuran DSC digunakan untuk menentukan kapasitas panas jenis dan transisi energetik bantalan silikon. Secara keseluruhan, dua sampel diuji dan untuk perhitungan Konduktivitas TermalKonduktivitas termal (λ dengan satuan W/(m-K)) menggambarkan pengangkutan energi - dalam bentuk panas - melalui benda bermassa sebagai hasil dari gradien suhu (lihat gbr. 1). Menurut hukum termodinamika kedua, panas selalu mengalir ke arah suhu yang lebih rendah.konduktivitas termal, nilaiKapasitas Panas Spesifik (cp)Kapasitas panas adalah kuantitas fisik spesifik material, ditentukan oleh jumlah panas yang disuplai ke spesimen, dibagi dengan kenaikan suhu yang dihasilkan. Kapasitas panas spesifik terkait dengan satuan massa spesimen.cp rata-rata digunakan.
Pengukuran LFA memberikan Difusivitas TermalDifusivitas termal (a dengan satuan mm2 /s) adalah properti khusus material untuk mengkarakterisasi konduksi panas yang tidak stabil. Nilai ini menggambarkan seberapa cepat suatu bahan bereaksi terhadap perubahan suhu.difusivitas termal yang bergantung pada suhu.
Tabel 1 menunjukkan kondisi pengukuran untuk DSC dan LFA.
Tabel 1: Kondisi pengukuran untuk DSC dan LFA
| Metode | DSC | LFA |
|---|---|---|
| Alat | DSC 204 F1 Phoenix® | LFA 717 HyperFlash® |
| Atmosfer | Nitrogen | Nitrogen |
| Program suhu | -150°C hingga 310°C | -100°C hingga 300°C |
| Laju pemanasan | 10 K/menit | 10 K/bulan |
| Massa sampel | Sampel 1: 11,205 mg; Sampel 2: 11,224 mg | - |
| Dimensi sampel | Ø 4 mm, tebal 1 mm | 20 mm × 20 mm × 0,8 mm |
| Sensor/termokopel | DSC 204 F1 sensor t, tipe E | MCT, tipe K |
Hasil
Pengukuran DSC menunjukkan kapasitas panas jenis bantalan silikon yang bergantung pada suhu antara -150°C dan 310°C (Gambar 1). Pada suhu rendah, teramati transisi kaca pada sekitar -121°C. Perubahan Kapasitas Panas Spesifik (cp)Kapasitas panas adalah kuantitas fisik spesifik material, ditentukan oleh jumlah panas yang disuplai ke spesimen, dibagi dengan kenaikan suhu yang dihasilkan. Kapasitas panas spesifik terkait dengan satuan massa spesimen. kapasitas panas spesifik pada transisi kaca sebesar sekitar 0,09 J/(g·K). Puncak EndotermikTransisi sampel atau reaksi bersifat endotermik jika panas diperlukan untuk konversi.endotermik yang menonjol terjadi pada sekitar -41°C, yang dikaitkan dengan transisi peleburan domain silikon kristalin atau teratur. Entalpi peleburan yang diukur sebesar sekitar 23 J/g.
Hasil penelitian menunjukkan peningkatan bertahap padanilai Kapasitas Panas Spesifik (cp)Kapasitas panas adalah kuantitas fisik spesifik material, ditentukan oleh jumlah panas yang disuplai ke spesimen, dibagi dengan kenaikan suhu yang dihasilkan. Kapasitas panas spesifik terkait dengan satuan massa spesimen.cp seiring dengan kenaikan suhu, sebagaimana diharapkan pada bahan polimer. Efek EndotermikTransisi sampel atau reaksi bersifat endotermik jika panas diperlukan untuk konversi.endotermik di sekitar -41°C tidak digunakan secara langsung dalam perhitungan konduktivitas termal. Sebagai gantinya, kurvaKapasitas Panas Spesifik (cp)Kapasitas panas adalah kuantitas fisik spesifik material, ditentukan oleh jumlah panas yang disuplai ke spesimen, dibagi dengan kenaikan suhu yang dihasilkan. Kapasitas panas spesifik terkait dengan satuan massa spesimen.cp diinterpolasi melintasi daerah transisi ini guna menghindari penyertakan kontribusi panas laten dalam perhitungan konduktivitas.
Difusivitas TermalDifusivitas termal (a dengan satuan mm2 /s) adalah properti khusus material untuk mengkarakterisasi konduksi panas yang tidak stabil. Nilai ini menggambarkan seberapa cepat suatu bahan bereaksi terhadap perubahan suhu. Difusivitas termal bantalan silikon terus menurun seiring dengan meningkatnya suhu, lihat Gambar 2. Pada suhu rendah sekitar -100°C, difusivitasnya sekitar 0,18 mm²/s. Pada suhu kamar, teramati nilai sekitar 0,14 mm²/s. Pada 300°C, difusivitas tersebut menurun menjadi sekitar 0,08 mm²/s.
Perilaku ini merupakan ciri khas bahan berbasis polimer. Seiring meningkatnya suhu, transportasi fonon menjadi kurang efisien akibat meningkatnya mobilitas molekul dan proses hamburan yang semakin intensif. Akibatnya, Difusivitas TermalDifusivitas termal (a dengan satuan mm2 /s) adalah properti khusus material untuk mengkarakterisasi konduksi panas yang tidak stabil. Nilai ini menggambarkan seberapa cepat suatu bahan bereaksi terhadap perubahan suhu.difusivitas termal menurun, meskipun kapasitas panas jenisnya meningkat.
Konduktivitas termal yang dihitung tetap berada dalam rentang yang relatif sempit selama interval suhu yang diteliti. Pada suhu rendah, konduktivitasnya sekitar 0,25 W/(m·K). Seiring dengan meningkatnya suhu, konduktivitas tersebut menurun dan mencapai nilai sekitar 0,17 W/(m·K) pada 300°C.
Kesimpulan
Contoh ini menunjukkan bahwa Alat Analisis Fluida Likuid ( LFA 717 HyperFlash® ) memberikan data Difusivitas TermalDifusivitas termal (a dengan satuan mm2 /s) adalah properti khusus material untuk mengkarakterisasi konduksi panas yang tidak stabil. Nilai ini menggambarkan seberapa cepat suatu bahan bereaksi terhadap perubahan suhu.difusivitas termal yang andal pada rentang suhu yang luas—termasuk kondisi kriogenik yang menantang—berkat sensitivitasnya yang tinggi dan pengendalian suhu yang presisi, bahkan saat menggunakan bantalan antarmuka berbasis silikon yang bereaksi lambat. Terutama pada rentang suhu rendah, penentuan kapasitas panas jenis secara tambahan menggunakan DSC sangat penting, karena hanya kombinasi data LFA, nilaicp, dan densitas yang memungkinkan perhitungan konduktivitas termal yang andal. Kemampuan untuk menghasilkan hasil yang andal bahkan di bawah suhu kamar merupakan keunggulan yang jelas bagi pengembangan TIM silikon modern.