Introducere
Plăcuțele de umplere pe bază de silicon sunt utilizate pe scară largă ca materiale de interfață termică (TIM) în domeniul electronicii, al modulelor de putere și al sistemelor de baterii. Funcția lor principală este de a umple spațiile de aer dintre componentele generatoare de căldură și radiatoare, compensând în același timp rugozitatea suprafeței și toleranțele mecanice. Pe lângă flexibilitatea mecanică, conductivitatea termică a plăcuței este unul dintre parametrii-cheie pentru evaluarea adecvării acesteia într-un anumit proiect de gestionare termică.
Metoda și condițiile de măsurare
Pentru a obține valori semnificative ale conductivității termice, în special la temperaturi scăzute, măsurarea prin LFA este completată în mod ideal de determinarea capacității termice specifice pe baza DSC. Combinația puternică dintre datele obținute prin LFA, DSC și cele privind densitatea oferă o imagine cuprinzătoare și fiabilă a performanței termice a materialului.
Prin urmare, difuzivitatea termică a fost măsurată prin analiza cu laser flash (LFA) utilizând NETZSCH LFA 717 HyperFlash® . Capacitatea termică specifică (Capacitate termică specifică (cp)Capacitatea termică este o mărime fizică specifică materialului, determinată de cantitatea de căldură furnizată specimenului, împărțită la creșterea de temperatură rezultată. Capacitatea termică specifică este raportată la o unitate de masă a specimenului.cp) a fost determinată separat prin DSC utilizând NETZSCH DSC 204 F1 Phoenix®. Împreună cu densitatea probei, conductivitatea termică a fost calculată conform formulei:
cu
λ = conductivitatea termică în W/(m·K)
α = difuzivitatea termică în mm²/s
Capacitate termică specifică (cp)Capacitatea termică este o mărime fizică specifică materialului, determinată de cantitatea de căldură furnizată specimenului, împărțită la creșterea de temperatură rezultată. Capacitatea termică specifică este raportată la o unitate de masă a specimenului.cp = capacitatea calorică specifică în J/(g·K)
ρ = densitatea în g/cm³
Măsurătorile au fost efectuate într-o atmosferă de azot. Măsurarea DSC a fost utilizată pentru a determina capacitatea termică specifică și tranzițiile energetice ale tamponului de silicon. În total, au fost testate două probe, iar pentru calcularea conductivității termice s-au luat în considerare valorile mediiale Capacitate termică specifică (cp)Capacitatea termică este o mărime fizică specifică materialului, determinată de cantitatea de căldură furnizată specimenului, împărțită la creșterea de temperatură rezultată. Capacitatea termică specifică este raportată la o unitate de masă a specimenului.cp.
Măsurarea LFA a furnizat difuzivitatea termică în funcție de temperatură.
Tabelul 1 prezintă condițiile de măsurare pentru DSC și LFA.
Tabelul 1: Condiții de măsurare pentru DSC și LFA
| Metodă | DSC | LFA |
|---|---|---|
| Instrument | DSC 204 F1 Phoenix® | LFA 717 HyperFlash® |
| Atmosferă | Azot | Azot |
| Program de temperatură | de la -150 °C la 310 °C | de la -100 °C la 300 °C |
| Viteză de încălzire | 10 K/min | 10 K/min |
| Masa probei | Proba 1: 11,205 mg; Proba 2: 11,224 mg | - |
| Dimensiunile probei | Ø 4 mm, grosime 1 mm | 20 mm x 20 mm x 0,8 mm |
| Senzor/termocuplu | DSC 204 F1 senzor de temperatură, tip E | MCT, tip K |
Rezultate
Măsurarea prin DSC arată capacitatea termică specifică dependentă de temperatură a tamponului de silicon între -150 °C și 310 °C (Figura 1). La temperaturi scăzute, se observă o tranziție vitroasă la aproximativ -121 °C. Variația capacității termice specifice la tranziția vitroasă este de aproximativ 0,09 J/(g·K). La aproximativ -41 °C apare un vârf EndotermiceO tranziție de probă sau o reacție este endotermă dacă este nevoie de căldură pentru conversie.endotermic pronunțat, care este atribuit tranziției de Temperaturile și entalpiile de topireEntalpia de fuziune a unei substanțe, cunoscută și sub denumirea de căldură latentă, este o măsură a aportului de energie, de obicei căldură, care este necesară pentru a transforma o substanță din stare solidă în stare lichidă. Punctul de topire al unei substanțe este temperatura la care aceasta își schimbă starea din solid (cristalin) în lichid (topitură izotropică). topire a domeniilor cristaline sau ordonate legate de silicon. Entalpia de Temperaturile și entalpiile de topireEntalpia de fuziune a unei substanțe, cunoscută și sub denumirea de căldură latentă, este o măsură a aportului de energie, de obicei căldură, care este necesară pentru a transforma o substanță din stare solidă în stare lichidă. Punctul de topire al unei substanțe este temperatura la care aceasta își schimbă starea din solid (cristalin) în lichid (topitură izotropică). topire măsurată este de aproximativ 23 J/g.
Rezultatele arată o creștere treptată avalorii Capacitate termică specifică (cp)Capacitatea termică este o mărime fizică specifică materialului, determinată de cantitatea de căldură furnizată specimenului, împărțită la creșterea de temperatură rezultată. Capacitatea termică specifică este raportată la o unitate de masă a specimenului.cp odată cu creșterea temperaturii, așa cum era de așteptat în cazul materialelor polimerice. Efectul EndotermiceO tranziție de probă sau o reacție este endotermă dacă este nevoie de căldură pentru conversie.endotermic din jurul valorii de -41 °C nu a fost utilizat direct pentru calculul conductivității termice. În schimb, curbaCapacitate termică specifică (cp)Capacitatea termică este o mărime fizică specifică materialului, determinată de cantitatea de căldură furnizată specimenului, împărțită la creșterea de temperatură rezultată. Capacitatea termică specifică este raportată la o unitate de masă a specimenului.cp a fost interpolată în această zonă de tranziție, pentru a evita includerea contribuțiilor căldurii latente în calculul conductivității.
Difuzivitatea termică a tamponului din silicon scade continuu odată cu creșterea temperaturii, a se vedea Figura 2. La temperaturi scăzute, în jur de -100 °C, difuzivitatea este de aproximativ 0,18 mm²/s. La temperatura camerei, se observă valori de aproximativ 0,14 mm²/s. La 300 °C, difuzivitatea scade la aproximativ 0,08 mm²/s.
Acest comportament este caracteristic materialelor pe bază de polimeri. Odată cu creșterea temperaturii, transportul fononilor devine mai puțin eficient din cauza mobilității moleculare crescânde și a proceselor de împrăștiere intensificate. Ca urmare, difuzivitatea termică scade, chiar dacă capacitatea termică specifică crește.
Conductivitatea termică calculată se menține într-un interval relativ restrâns pe parcursul intervalului de temperatură studiat. La temperaturi scăzute, conductivitatea este de aproximativ 0,25 W/(m·K). Odată cu creșterea temperaturii, conductivitatea scade și atinge valori de aproximativ 0,17 W/(m·K) la 300 °C.
Concluzie
Acest exemplu demonstrează că sistemul de analiză a difuzivității termice ( LFA 717 HyperFlash® ) furnizează date fiabile privind difuzivitatea termică într-un interval larg de temperaturi – inclusiv în condiții criogenice dificile – datorită sensibilității sale ridicate și controlului precis al temperaturii, chiar și în cazul utilizării unor tampoane de interfață pe bază de silicon cu reacție lentă. În special în intervalul de temperaturi scăzute, determinarea suplimentară a capacității termice specifice cu ajutorul DSC este esențială, deoarece numai combinația dintre datele LFA, valorilecp și DensitateDensitatea masică este definită ca raportul dintre masă și volum. densitate permite calcularea fiabilă a conductivității termice. Această capacitate de a furniza rezultate fiabile chiar și la temperaturi sub temperatura camerei reprezintă un avantaj clar pentru dezvoltarea materialelor moderne de interfață termică (TIM) pe bază de silicon.