Inleiding
Op siliconen gebaseerde afstandskussentjes worden op grote schaal gebruikt als thermische interfacematerialen (TIM’s) in elektronica, vermogensmodules en batterijsystemen. Hun belangrijkste functie is het overbruggen van luchtspleten tussen warmtegenererende componenten en koellichamen, terwijl ze tegelijkertijd oneffenheden in het oppervlak en mechanische toleranties compenseren. Naast mechanische flexibiliteit is de Thermische geleidbaarheidThermische geleidbaarheid (λ met de eenheid W/(m-K)) beschrijft het transport van energie - in de vorm van warmte - door een massa-lichaam als gevolg van een temperatuurgradiënt (zie fig. 1). Volgens de tweede wet van de thermodynamica stroomt warmte altijd in de richting van de lagere temperatuur.thermische geleidbaarheid van het vulstuk een van de belangrijkste parameters om te beoordelen of het geschikt is voor een specifiek ontwerp voor warmtebeheer.
Methode en meetomstandigheden
Om zinvolle waarden voor de Thermische geleidbaarheidThermische geleidbaarheid (λ met de eenheid W/(m-K)) beschrijft het transport van energie - in de vorm van warmte - door een massa-lichaam als gevolg van een temperatuurgradiënt (zie fig. 1). Volgens de tweede wet van de thermodynamica stroomt warmte altijd in de richting van de lagere temperatuur.thermische geleidbaarheid te verkrijgen, met name bij lage temperaturen, wordt de LFA-meting idealiter aangevuld met een bepaling van de Specifieke warmtecapaciteit (cp)Warmtecapaciteit is een materiaalspecifieke fysische grootheid, bepaald door de hoeveelheid warmte die aan een proefstuk wordt toegevoerd, gedeeld door de resulterende temperatuurstijging. De specifieke warmtecapaciteit is gerelateerd aan een massa-eenheid van het proefstuk.specifieke warmtecapaciteit op basis van DSC. De krachtige combinatie van LFA-, DSC- en dichtheidsgegevens biedt een alomvattend en betrouwbaar beeld van de thermische prestaties van het materiaal.
Daarom werd de thermische diffusiviteit gemeten met behulp van Laser Flash Analysis (LFA) met behulp van de NETZSCH LFA 717 HyperFlash® . De Specifieke warmtecapaciteit (cp)Warmtecapaciteit is een materiaalspecifieke fysische grootheid, bepaald door de hoeveelheid warmte die aan een proefstuk wordt toegevoerd, gedeeld door de resulterende temperatuurstijging. De specifieke warmtecapaciteit is gerelateerd aan een massa-eenheid van het proefstuk.specifieke warmtecapaciteit (Specifieke warmtecapaciteit (cp)Warmtecapaciteit is een materiaalspecifieke fysische grootheid, bepaald door de hoeveelheid warmte die aan een proefstuk wordt toegevoerd, gedeeld door de resulterende temperatuurstijging. De specifieke warmtecapaciteit is gerelateerd aan een massa-eenheid van het proefstuk.cp) werd afzonderlijk bepaald met DSC met behulp van de NETZSCH DSC 204 F1 Phoenix®. Samen met de DichtheidDe massadichtheid wordt gedefinieerd als de verhouding tussen massa en volume. dichtheid van het monster werd de Thermische geleidbaarheidThermische geleidbaarheid (λ met de eenheid W/(m-K)) beschrijft het transport van energie - in de vorm van warmte - door een massa-lichaam als gevolg van een temperatuurgradiënt (zie fig. 1). Volgens de tweede wet van de thermodynamica stroomt warmte altijd in de richting van de lagere temperatuur.thermische geleidbaarheid berekend volgens:
waarbij
λ = Thermische geleidbaarheidThermische geleidbaarheid (λ met de eenheid W/(m-K)) beschrijft het transport van energie - in de vorm van warmte - door een massa-lichaam als gevolg van een temperatuurgradiënt (zie fig. 1). Volgens de tweede wet van de thermodynamica stroomt warmte altijd in de richting van de lagere temperatuur.thermische geleidbaarheid in W/(m·K)
α = thermische diffusiviteit in mm²/s
Specifieke warmtecapaciteit (cp)Warmtecapaciteit is een materiaalspecifieke fysische grootheid, bepaald door de hoeveelheid warmte die aan een proefstuk wordt toegevoerd, gedeeld door de resulterende temperatuurstijging. De specifieke warmtecapaciteit is gerelateerd aan een massa-eenheid van het proefstuk.cp = Specifieke warmtecapaciteit (cp)Warmtecapaciteit is een materiaalspecifieke fysische grootheid, bepaald door de hoeveelheid warmte die aan een proefstuk wordt toegevoerd, gedeeld door de resulterende temperatuurstijging. De specifieke warmtecapaciteit is gerelateerd aan een massa-eenheid van het proefstuk.specifieke warmtecapaciteit in J/(g·K)
ρ = DichtheidDe massadichtheid wordt gedefinieerd als de verhouding tussen massa en volume. dichtheid in g/cm³
De metingen werden uitgevoerd in een stikstofatmosfeer. De DSC-meting werd gebruikt om de Specifieke warmtecapaciteit (cp)Warmtecapaciteit is een materiaalspecifieke fysische grootheid, bepaald door de hoeveelheid warmte die aan een proefstuk wordt toegevoerd, gedeeld door de resulterende temperatuurstijging. De specifieke warmtecapaciteit is gerelateerd aan een massa-eenheid van het proefstuk.specifieke warmtecapaciteit en de energetische overgangen van het siliconenkussentje te bepalen. In totaal werden twee monsters getest en voor de berekening van de Thermische geleidbaarheidThermische geleidbaarheid (λ met de eenheid W/(m-K)) beschrijft het transport van energie - in de vorm van warmte - door een massa-lichaam als gevolg van een temperatuurgradiënt (zie fig. 1). Volgens de tweede wet van de thermodynamica stroomt warmte altijd in de richting van de lagere temperatuur.thermische geleidbaarheid werden de gemiddeldeSpecifieke warmtecapaciteit (cp)Warmtecapaciteit is een materiaalspecifieke fysische grootheid, bepaald door de hoeveelheid warmte die aan een proefstuk wordt toegevoerd, gedeeld door de resulterende temperatuurstijging. De specifieke warmtecapaciteit is gerelateerd aan een massa-eenheid van het proefstuk.cp-waarden genomen.
De LFA-meting leverde de temperatuurafhankelijke thermische diffusiviteit op.
Tabel 1 toont de meetomstandigheden voor DSC en LFA.
Tabel 1: Meetomstandigheden voor DSC en LFA
| Methode | DSC | LFA |
|---|---|---|
| Instrument | DSC 204 F1 Phoenix® | LFA 717 HyperFlash® |
| Atmosfeer | Stikstof | Stikstof |
| Temperatuurprogramma | -150 °C tot 310 °C | -100 °C tot 300 °C |
| Verwarmingssnelheid | 10 K/min | 10 K/min |
| Massa van het monster | Monster 1: 11,205 mg; Monster 2: 11,224 mg | - |
| Afmetingen monster | Ø 4 mm, 1 mm dik | 20 mm x 20 mm x 0,8 mm |
| Sensor/thermokoppel | DSC 204- F1 -t-sensor, type E | MCT, type K |
Resultaten
De DSC-meting toont de temperatuurafhankelijke Specifieke warmtecapaciteit (cp)Warmtecapaciteit is een materiaalspecifieke fysische grootheid, bepaald door de hoeveelheid warmte die aan een proefstuk wordt toegevoerd, gedeeld door de resulterende temperatuurstijging. De specifieke warmtecapaciteit is gerelateerd aan een massa-eenheid van het proefstuk.specifieke warmtecapaciteit van het siliconenkussentje tussen -150 °C en 310 °C (Figuur 1). Bij lage temperaturen wordt een glasovergang waargenomen bij ongeveer -121 °C. De verandering in de specifieke warmtecapaciteit bij de glasovergang bedraagt ongeveer 0,09 J/(g·K). Bij ongeveer -41 °C treedt een uitgesproken endotherme piek op, die wordt toegeschreven aan de smeltingsovergang van kristallijne of geordende siliconenachtige domeinen. De gemeten smeltenthalpie bedraagt ongeveer 23 J/g.
De resultaten laten een geleidelijke toename vanSpecifieke warmtecapaciteit (cp)Warmtecapaciteit is een materiaalspecifieke fysische grootheid, bepaald door de hoeveelheid warmte die aan een proefstuk wordt toegevoerd, gedeeld door de resulterende temperatuurstijging. De specifieke warmtecapaciteit is gerelateerd aan een massa-eenheid van het proefstuk.cp zien bij stijgende temperatuur, zoals te verwachten is bij polymere materialen. Het endotherme effect rond -41 °C werd niet rechtstreeks gebruikt voor de berekening van de Thermische geleidbaarheidThermische geleidbaarheid (λ met de eenheid W/(m-K)) beschrijft het transport van energie - in de vorm van warmte - door een massa-lichaam als gevolg van een temperatuurgradiënt (zie fig. 1). Volgens de tweede wet van de thermodynamica stroomt warmte altijd in de richting van de lagere temperatuur.thermische geleidbaarheid. In plaats daarvan werd deSpecifieke warmtecapaciteit (cp)Warmtecapaciteit is een materiaalspecifieke fysische grootheid, bepaald door de hoeveelheid warmte die aan een proefstuk wordt toegevoerd, gedeeld door de resulterende temperatuurstijging. De specifieke warmtecapaciteit is gerelateerd aan een massa-eenheid van het proefstuk.cp-curve over dit overgangsgebied geïnterpoleerd om te voorkomen dat bijdragen van latente warmte in de geleidbaarheidsberekening zouden worden meegenomen.
De thermische diffusiviteit van het siliconenkussentje neemt continu af naarmate de temperatuur stijgt, zie figuur 2. Bij lage temperaturen rond -100 °C bedraagt de diffusiviteit ongeveer 0,18 mm²/s. Bij kamertemperatuur worden waarden rond 0,14 mm²/s waargenomen. Bij 300 °C daalt de diffusiviteit tot ongeveer 0,08 mm²/s.
Dit gedrag is kenmerkend voor materialen op basis van polymeren. Bij stijgende temperatuur verloopt het fononentransport minder efficiënt als gevolg van de toenemende moleculaire mobiliteit en versterkte verstrooiingsprocessen. Daardoor neemt de thermische diffusiviteit af, hoewel de specifieke warmtecapaciteit toeneemt.
De berekende Thermische geleidbaarheidThermische geleidbaarheid (λ met de eenheid W/(m-K)) beschrijft het transport van energie - in de vorm van warmte - door een massa-lichaam als gevolg van een temperatuurgradiënt (zie fig. 1). Volgens de tweede wet van de thermodynamica stroomt warmte altijd in de richting van de lagere temperatuur.thermische geleidbaarheid blijft binnen een relatief smal bereik over het onderzochte temperatuurinterval. Bij lage temperaturen bedraagt de geleidbaarheid ongeveer 0,25 W/(m·K). Bij stijgende temperatuur neemt de geleidbaarheid af en bereikt deze bij 300 °C waarden van ongeveer 0,17 W/(m·K).
Conclusie
Dit voorbeeld laat zien dat de LFA 717 HyperFlash® betrouwbare gegevens over de thermische diffusiviteit levert over een breed temperatuurbereik – inclusief veeleisende cryogene omstandigheden – dankzij de hoge gevoeligheid en nauwkeurige temperatuurregeling, zelfs bij traag reagerende interfacepads op siliconenbasis. Vooral in het lage temperatuurbereik is de aanvullende bepaling van de specifieke warmtecapaciteit met behulp van DSC van cruciaal belang, aangezien alleen de combinatie van LFA-gegevens,cp-waarden en DichtheidDe massadichtheid wordt gedefinieerd als de verhouding tussen massa en volume. dichtheid een betrouwbare berekening van de Thermische geleidbaarheidThermische geleidbaarheid (λ met de eenheid W/(m-K)) beschrijft het transport van energie - in de vorm van warmte - door een massa-lichaam als gevolg van een temperatuurgradiënt (zie fig. 1). Volgens de tweede wet van de thermodynamica stroomt warmte altijd in de richting van de lagere temperatuur.thermische geleidbaarheid mogelijk maakt. Dit vermogen om zelfs onder kamertemperatuur betrouwbare resultaten te leveren, is een duidelijk voordeel voor de ontwikkeling van moderne siliconen-TIM's.