Introdução
As almofadas de preenchimento à base de silicone são amplamente utilizadas como materiais de interface térmica (TIMs) em eletrônicos, módulos de potência e sistemas de baterias. Sua principal função é preencher os espaços de ar entre os componentes geradores de calor e os dissipadores de calor, ao mesmo tempo em que compensam a rugosidade da superfície e as tolerâncias mecânicas. Além da conformidade mecânica, a Condutividade térmicaA condutividade térmica (λ com a unidade W/(m-K)) descreve o transporte de energia - na forma de calor - por um corpo de massa como resultado de um gradiente de temperatura (veja a fig. 1). De acordo com a segunda lei da termodinâmica, o calor sempre flui na direção da temperatura mais baixa.condutividade térmica da almofada é um dos parâmetros-chave para avaliar sua adequação em um projeto específico de gerenciamento térmico.
Método e Condições de Medição
Para obter valores significativos de Condutividade térmicaA condutividade térmica (λ com a unidade W/(m-K)) descreve o transporte de energia - na forma de calor - por um corpo de massa como resultado de um gradiente de temperatura (veja a fig. 1). De acordo com a segunda lei da termodinâmica, o calor sempre flui na direção da temperatura mais baixa.condutividade térmica, especialmente em baixas temperaturas, a medição por LFA é idealmente complementada pela determinação da capacidade térmica específica com base no DSC. A poderosa combinação de dados de LFA, DSC e DensidadeA densidade de massa é definida como a relação entre massa e volume. densidade fornece um panorama geral e confiável do desempenho térmico do material.
Portanto, a Difusividade térmicaA difusividade térmica (a com a unidade mm2/s) é uma propriedade específica do material para caracterizar a condução de calor instável. Esse valor descreve a rapidez com que um material reage a uma mudança de temperatura.difusividade térmica foi medida por Análise a Flash de Laser (LFA) utilizando o NETZSCH LFA 717 HyperFlash® . A capacidade térmica específica (Capacidade térmica específica (cp)A capacidade térmica é uma quantidade física específica do material, determinada pela quantidade de calor fornecida à amostra, dividida pelo aumento de temperatura resultante. A capacidade térmica específica está relacionada a uma unidade de massa do corpo de prova.cp) foi determinada separadamente por DSC utilizando o NETZSCH DSC 204 F1 Phoenix®. Juntamente com a DensidadeA densidade de massa é definida como a relação entre massa e volume. densidade da amostra, a Condutividade térmicaA condutividade térmica (λ com a unidade W/(m-K)) descreve o transporte de energia - na forma de calor - por um corpo de massa como resultado de um gradiente de temperatura (veja a fig. 1). De acordo com a segunda lei da termodinâmica, o calor sempre flui na direção da temperatura mais baixa.condutividade térmica foi calculada de acordo com:
com
λ = Condutividade térmicaA condutividade térmica (λ com a unidade W/(m-K)) descreve o transporte de energia - na forma de calor - por um corpo de massa como resultado de um gradiente de temperatura (veja a fig. 1). De acordo com a segunda lei da termodinâmica, o calor sempre flui na direção da temperatura mais baixa.condutividade térmica em W/(m·K)
α = Difusividade térmicaA difusividade térmica (a com a unidade mm2/s) é uma propriedade específica do material para caracterizar a condução de calor instável. Esse valor descreve a rapidez com que um material reage a uma mudança de temperatura.difusividade térmica em mm²/s
Capacidade térmica específica (cp)A capacidade térmica é uma quantidade física específica do material, determinada pela quantidade de calor fornecida à amostra, dividida pelo aumento de temperatura resultante. A capacidade térmica específica está relacionada a uma unidade de massa do corpo de prova.cp = capacidade térmica específica em J/(g·K)
ρ = DensidadeA densidade de massa é definida como a relação entre massa e volume. densidade em g/cm³
As medições foram realizadas em atmosfera de nitrogênio. A medição por DSC foi utilizada para determinar a capacidade térmica específica e as transições energéticas da almofada de silicone. No total, duas amostras foram testadas e, para o cálculo da Condutividade térmicaA condutividade térmica (λ com a unidade W/(m-K)) descreve o transporte de energia - na forma de calor - por um corpo de massa como resultado de um gradiente de temperatura (veja a fig. 1). De acordo com a segunda lei da termodinâmica, o calor sempre flui na direção da temperatura mais baixa.condutividade térmica, foram utilizados os valores médiosde Capacidade térmica específica (cp)A capacidade térmica é uma quantidade física específica do material, determinada pela quantidade de calor fornecida à amostra, dividida pelo aumento de temperatura resultante. A capacidade térmica específica está relacionada a uma unidade de massa do corpo de prova.cp.
A medição por LFA forneceu a Difusividade térmicaA difusividade térmica (a com a unidade mm2/s) é uma propriedade específica do material para caracterizar a condução de calor instável. Esse valor descreve a rapidez com que um material reage a uma mudança de temperatura.difusividade térmica em função da temperatura.
A Tabela 1 mostra as condições de medição para DSC e LFA.
Tabela 1: Condições de medição para DSC e LFA
| Método | DSC | LFA |
|---|---|---|
| Instrumento | DSC 204 F1 Phoenix® | LFA 717 HyperFlash® |
| Atmosfera | Nitrogênio | Nitrogênio |
| Programa de temperatura | -150 °C a 310 °C | -100 °C a 300 °C |
| Taxa de aquecimento | 10 K/min | 10 K/min |
| Massa da amostra | Amostra 1: 11,205 mg; Amostra 2: 11,224 mg | - |
| Dimensões da amostra | Ø 4 mm, 1 mm de espessura | 20 mm x 20 mm x 0,8 mm |
| Sensor/termopar | DSC 204 F1 , sensor de temperatura tipo E | MCT, tipo K |
Resultados
A medição por DSC mostra a capacidade térmica específica dependente da temperatura da almofada de silicone entre -150 °C e 310 °C (Figura 1). Em baixas temperaturas, observa-se uma transição vítrea a aproximadamente -121 °C. A variação na capacidade térmica específica na transição vítrea é de cerca de 0,09 J/(g·K). Um pico EndotérmicoUma transição de amostra ou uma reação é endotérmica se for necessário calor para a conversão.endotérmico pronunciado ocorre a aproximadamente -41 °C, o que é atribuído à transição de Temperaturas e entalpias de fusãoA entalpia de fusão de uma substância, também conhecida como calor latente, é uma medida da entrada de energia, normalmente calor, necessária para converter uma substância do estado sólido para o líquido. O ponto de fusão de uma substância é a temperatura na qual ela muda de estado, passando do sólido (cristalino) para o líquido (fusão isotrópica). fusão de domínios cristalinos ou ordenados relacionados ao silicone. A entalpia de Temperaturas e entalpias de fusãoA entalpia de fusão de uma substância, também conhecida como calor latente, é uma medida da entrada de energia, normalmente calor, necessária para converter uma substância do estado sólido para o líquido. O ponto de fusão de uma substância é a temperatura na qual ela muda de estado, passando do sólido (cristalino) para o líquido (fusão isotrópica). fusão medida é de aproximadamente 23 J/g.
Os resultados mostram um aumento gradual doCapacidade térmica específica (cp)A capacidade térmica é uma quantidade física específica do material, determinada pela quantidade de calor fornecida à amostra, dividida pelo aumento de temperatura resultante. A capacidade térmica específica está relacionada a uma unidade de massa do corpo de prova.cp com o aumento da temperatura, conforme esperado para materiais poliméricos. O efeito EndotérmicoUma transição de amostra ou uma reação é endotérmica se for necessário calor para a conversão.endotérmico em torno de -41 °C não foi utilizado diretamente no cálculo da Condutividade térmicaA condutividade térmica (λ com a unidade W/(m-K)) descreve o transporte de energia - na forma de calor - por um corpo de massa como resultado de um gradiente de temperatura (veja a fig. 1). De acordo com a segunda lei da termodinâmica, o calor sempre flui na direção da temperatura mais baixa.condutividade térmica. Em vez disso, a curvade Capacidade térmica específica (cp)A capacidade térmica é uma quantidade física específica do material, determinada pela quantidade de calor fornecida à amostra, dividida pelo aumento de temperatura resultante. A capacidade térmica específica está relacionada a uma unidade de massa do corpo de prova.cp foi interpolada nessa região de transição, a fim de evitar a inclusão de contribuições de calor latente no cálculo da condutividade.
A Difusividade térmicaA difusividade térmica (a com a unidade mm2/s) é uma propriedade específica do material para caracterizar a condução de calor instável. Esse valor descreve a rapidez com que um material reage a uma mudança de temperatura.difusividade térmica da almofada de silicone diminui continuamente com o aumento da temperatura; veja a Figura 2. Em baixas temperaturas, em torno de -100 °C, a difusividade é de aproximadamente 0,18 mm²/s. À temperatura ambiente, observam-se valores em torno de 0,14 mm²/s. A 300 °C, a difusividade diminui para aproximadamente 0,08 mm²/s.
Esse comportamento é típico de materiais à base de polímeros. Com o aumento da temperatura, o transporte de fônons torna-se menos eficiente devido ao aumento da mobilidade molecular e ao intensificar dos processos de espalhamento. Como resultado, a Difusividade térmicaA difusividade térmica (a com a unidade mm2/s) é uma propriedade específica do material para caracterizar a condução de calor instável. Esse valor descreve a rapidez com que um material reage a uma mudança de temperatura.difusividade térmica diminui, embora a capacidade térmica específica aumente.
A Condutividade térmicaA condutividade térmica (λ com a unidade W/(m-K)) descreve o transporte de energia - na forma de calor - por um corpo de massa como resultado de um gradiente de temperatura (veja a fig. 1). De acordo com a segunda lei da termodinâmica, o calor sempre flui na direção da temperatura mais baixa.condutividade térmica calculada permanece dentro de uma faixa relativamente estreita ao longo do intervalo de temperatura investigado. Em baixas temperaturas, a condutividade é de aproximadamente 0,25 W/(m·K). Com o aumento da temperatura, a condutividade diminui e atinge valores de aproximadamente 0,17 W/(m·K) a 300 °C.
Conclusão
Este exemplo demonstra que o LFA 717 HyperFlash® fornece dados confiáveis de Difusividade térmicaA difusividade térmica (a com a unidade mm2/s) é uma propriedade específica do material para caracterizar a condução de calor instável. Esse valor descreve a rapidez com que um material reage a uma mudança de temperatura.difusividade térmica em uma ampla faixa de temperatura — incluindo condições criogênicas desafiadoras — graças à sua alta sensibilidade e ao controle preciso da temperatura, mesmo com almofadas de interface à base de silicone de reação lenta. Especialmente na faixa de baixas temperaturas, a determinação complementar da capacidade térmica específica por meio da DSC é crucial, pois somente a combinação de dados de LFA, valoresde cp e DensidadeA densidade de massa é definida como a relação entre massa e volume. densidade permite o cálculo confiável da Condutividade térmicaA condutividade térmica (λ com a unidade W/(m-K)) descreve o transporte de energia - na forma de calor - por um corpo de massa como resultado de um gradiente de temperatura (veja a fig. 1). De acordo com a segunda lei da termodinâmica, o calor sempre flui na direção da temperatura mais baixa.condutividade térmica. Essa capacidade de fornecer resultados confiáveis mesmo abaixo da temperatura ambiente é uma vantagem clara para o desenvolvimento de TIMs de silicone modernos.