Wprowadzenie
Podkładki wypełniające na bazie silikonu są szeroko stosowane jako materiały termoprzewodzące (TIM) w elektronice, modułach mocy i układach akumulatorowych. Ich główną funkcją jest wypełnianie szczelin powietrznych między elementami generującymi ciepło a radiatorami, przy jednoczesnym wyrównywaniu chropowatości powierzchni i tolerancji mechanicznych. Oprócz elastyczności mechanicznej Przewodność cieplnaPrzewodność cieplna (λ z jednostką W/(m-K)) opisuje transport energii - w postaci ciepła - przez ciało o masie w wyniku gradientu temperatury (patrz rys. 1). Zgodnie z drugą zasadą termodynamiki, ciepło zawsze przepływa w kierunku niższej temperatury.przewodność cieplna podkładki jest jednym z kluczowych parametrów służących do oceny jej przydatności w konkretnym projekcie systemu zarządzania ciepłem.
Metoda i warunki pomiaru
Aby uzyskać miarodajne wartości przewodności cieplnej, zwłaszcza w niskich temperaturach, pomiar metodą LFA najlepiej uzupełnia określenie ciepła właściwego za pomocą spektrometru DSC. Skuteczne połączenie danych z metod LFA, DSC oraz pomiarów gęstości zapewnia kompleksowy i wiarygodny obraz właściwości termicznych materiału.
W związku z tym dyfuzyjność cieplną zmierzono metodą analizy laserowej (LFA) przy użyciu urządzenia NETZSCH LFA 717 HyperFlash® . Ciepło właściwe (Pojemność cieplna właściwa (cp)Pojemność cieplna jest wielkością fizyczną specyficzną dla materiału, określoną przez ilość ciepła dostarczonego do próbki, podzieloną przez wynikający z tego wzrost temperatury. Pojemność cieplna właściwa jest związana z jednostką masy próbki.cp) określono oddzielnie metodą DSC przy użyciu urządzenia NETZSCH DSC 204 F1 Phoenix®. Na podstawie gęstości próbki oraz współczynnika dyfuzji cieplnej obliczono przewodność cieplną zgodnie z wzorem:
gdzie
λ = Przewodność cieplnaPrzewodność cieplna (λ z jednostką W/(m-K)) opisuje transport energii - w postaci ciepła - przez ciało o masie w wyniku gradientu temperatury (patrz rys. 1). Zgodnie z drugą zasadą termodynamiki, ciepło zawsze przepływa w kierunku niższej temperatury.przewodność cieplna w W/(m·K)
α = dyfuzyjność cieplna w mm²/s
Pojemność cieplna właściwa (cp)Pojemność cieplna jest wielkością fizyczną specyficzną dla materiału, określoną przez ilość ciepła dostarczonego do próbki, podzieloną przez wynikający z tego wzrost temperatury. Pojemność cieplna właściwa jest związana z jednostką masy próbki.cp = ciepło właściwe w J/(g·K)
ρ = gęstość w g/cm³
Pomiary przeprowadzono w atmosferze azotu. Pomiary metodą DSC wykorzystano do określenia ciepła właściwego oraz przejść energetycznych podkładki silikonowej. Łącznie przebadano dwie próbki, a do obliczenia przewodności cieplnej przyjęto uśrednione wartościPojemność cieplna właściwa (cp)Pojemność cieplna jest wielkością fizyczną specyficzną dla materiału, określoną przez ilość ciepła dostarczonego do próbki, podzieloną przez wynikający z tego wzrost temperatury. Pojemność cieplna właściwa jest związana z jednostką masy próbki.cp.
Pomiar metodą LFA pozwolił uzyskać wartość dyfuzyjności cieplnej w funkcji temperatury.
W tabeli 1 przedstawiono warunki pomiarowe dla metod DSC i LFA.
Tabela 1: Warunki pomiarowe dla metod DSC i LFA
| Metoda | DSC | LFA |
|---|---|---|
| Urządzenie | DSC 204 F1 Phoenix® | LFA 717 HyperFlash® |
| Atmosfera | Azot | Azot |
| Program temperaturowy | od -150°C do 310°C | od -100°C do 300°C |
| Szybkość ogrzewania | 10 K/min | 10 K/min |
| Masa próbki | Próbka 1: 11,205 mg; Próbka 2: 11,224 mg | - |
| Wymiary próbki | Ø 4 mm, grubość 1 mm | 20 mm x 20 mm x 0,8 mm |
| Czujnik/termopara | DSC 204 F1 czujnik typu T, typ E | MCT, typ K |
Wyniki
Pomiar metodą DSC pokazuje zależną od temperatury ciepło właściwe podkładki silikonowej w zakresie od -150°C do 310°C (rysunek 1). W niskich temperaturach obserwuje się przemianę szklistą przy około -121°C. Zmiana ciepła właściwego w momencie przejścia szklistego wynosi około 0,09 J/(g·K). Wyraźny pik EndotermicznyPrzemiana próbki lub reakcja jest endotermiczna, jeśli do konwersji potrzebne jest ciepło.endotermiczny występuje w temperaturze około -41°C, co przypisuje się przejściu topnienia krystalicznych lub uporządkowanych domen silikonowych. Zmierzona entalpia topnienia wynosi około 23 J/g.
Wyniki wskazują na stopniowy wzrost wartościPojemność cieplna właściwa (cp)Pojemność cieplna jest wielkością fizyczną specyficzną dla materiału, określoną przez ilość ciepła dostarczonego do próbki, podzieloną przez wynikający z tego wzrost temperatury. Pojemność cieplna właściwa jest związana z jednostką masy próbki.cp wraz ze wzrostem temperatury, zgodnie z oczekiwaniami w przypadku materiałów polimerowych. Efekt EndotermicznyPrzemiana próbki lub reakcja jest endotermiczna, jeśli do konwersji potrzebne jest ciepło.endotermiczny występujący w okolicach -41°C nie został wykorzystany bezpośrednio do obliczenia przewodności cieplnej. Zamiast tego krzywąPojemność cieplna właściwa (cp)Pojemność cieplna jest wielkością fizyczną specyficzną dla materiału, określoną przez ilość ciepła dostarczonego do próbki, podzieloną przez wynikający z tego wzrost temperatury. Pojemność cieplna właściwa jest związana z jednostką masy próbki.cp interpolowano w tym obszarze przejściowym, aby uniknąć uwzględnienia wkładu ciepła utajonego w obliczeniach przewodności.
Współczynnik dyfuzji cieplnej podkładki silikonowej maleje w sposób ciągły wraz ze wzrostem temperatury – patrz rysunek 2. W niskich temperaturach, około -100°C, współczynnik dyfuzji wynosi około 0,18 mm²/s. W temperaturze pokojowej obserwuje się wartości rzędu 0,14 mm²/s. W temperaturze 300°C współczynnik dyfuzji spada do około 0,08 mm²/s.
Takie zachowanie jest typowe dla materiałów polimerowych. Wraz ze wzrostem temperatury transport fononów staje się mniej wydajny z powodu rosnącej ruchliwości cząsteczek i nasilających się procesów rozpraszania. W rezultacie współczynnik dyfuzji cieplnej maleje, mimo że ciepło właściwe wzrasta.
Obliczona Przewodność cieplnaPrzewodność cieplna (λ z jednostką W/(m-K)) opisuje transport energii - w postaci ciepła - przez ciało o masie w wyniku gradientu temperatury (patrz rys. 1). Zgodnie z drugą zasadą termodynamiki, ciepło zawsze przepływa w kierunku niższej temperatury.przewodność cieplna utrzymuje się w stosunkowo wąskim zakresie w badanym przedziale temperatur. W niskich temperaturach przewodność wynosi około 0,25 W/(m·K). Wraz ze wzrostem temperatury przewodność maleje i osiąga wartości około 0,17 W/(m·K) w temperaturze 300°C.
Wnioski
Ten przykład pokazuje, że analizator LFA firmy LFA 717 HyperFlash® dostarcza wiarygodnych danych dotyczących przewodności cieplnej w szerokim zakresie temperatur – w tym w trudnych warunkach kriogenicznych – dzięki wysokiej czułości i precyzyjnej regulacji temperatury, nawet w przypadku wolno reagujących podkładek styku na bazie silikonu. Szczególnie w zakresie niskich temperatur kluczowe znaczenie ma dodatkowe określenie ciepła właściwego za pomocą DSC, ponieważ jedynie połączenie danych z LFA, wartościcp oraz gęstości pozwala na wiarygodne obliczenie przewodności cieplnej. Ta zdolność do dostarczania wiarygodnych wyników nawet poniżej temperatury pokojowej stanowi wyraźną zaletę w procesie opracowywania nowoczesnych silikonowych materiałów termoprzewodzących (TIM).