Контроль при низких температурах: точное измерение теплопроводности силиконовых теплопроводящих материалов (TIM) при низких температурах

Введение

Прокладки на силиконовой основе широко используются в качестве теплопроводящих интерфейсных материалов (TIM) в электронике, силовых модулях и аккумуляторных системах. Их основная функция заключается в заполнении воздушных зазоров между тепловыделяющими компонентами и радиаторами, а также в компенсации неровностей поверхности и механических допусков. Помимо механической податливости, теплопроводность прокладки является одним из ключевых параметров для оценки её пригодности в конкретной конструкции системы теплоотвода.

Метод и условия измерения

Для получения достоверных значений теплопроводности, особенно при низких температурах, измерения методом LFA в идеале дополняются определением удельной теплоемкости с помощью ДСК. Эффективное сочетание данных, полученных методами LFA, ДСК и измерения плотности, позволяет составить всестороннее и достоверное представление о тепловых характеристиках материала.

Поэтому теплопроводность измерялась методом лазерного вспышечного анализа с использованием системы NETZSCH LFA 717 HyperFlash^® . Удельная теплоемкость (_{Удельная теплоемкость (cp)Теплоемкость - это специфическая для каждого материала физическая величина, определяемая количеством тепла, подведенного к образцу, деленным на полученное повышение температуры. Удельная теплоемкость относится к единице массы образца.cp}) определялась отдельно методом ДСК с использованием системы NETZSCH DSC 204 F1 Phoenix^®. На основе этих данных, а также плотности образца теплопроводность была рассчитана по формуле:

где

λ = теплопроводность в Вт/(м·К)
α = тепловая диффузия в мм²/с
_{Удельная теплоемкость (cp)Теплоемкость - это специфическая для каждого материала физическая величина, определяемая количеством тепла, подведенного к образцу, деленным на полученное повышение температуры. Удельная теплоемкость относится к единице массы образца.cp} = удельная теплоемкость в Дж/(г·К)
ρ = плотность в г/см³

Измерения проводились в атмосфере азота. Для определения удельной теплоемкости и энергетических переходов силиконовой прокладки использовалось ДСК-измерение. Всего было испытано два образца, и для расчета теплопроводности были взяты усредненные значения_{Удельная теплоемкость (cp)Теплоемкость - это специфическая для каждого материала физическая величина, определяемая количеством тепла, подведенного к образцу, деленным на полученное повышение температуры. Удельная теплоемкость относится к единице массы образца.cp}.

Измерение методом LFA позволило определить температурно-зависимую тепловую диффузию.

В таблице 1 приведены условия измерений с помощью ДСК и ЛФА.

Таблица 1: Условия проведения измерений методами ДСК и ЛФА

Результаты

Результаты ДСК-анализа показывают зависимость удельной теплоемкости силиконовой прокладки от температуры в диапазоне от -150 °C до 310 °C (рис. 1). При низких температурах наблюдается стеклование при температуре примерно -121 °C. Изменение удельной теплоемкости при стекловании составляет около 0,09 Дж/(г·К). При температуре около -41 °C наблюдается выраженный эндотермический пик, который связывают с переходом в состояние плавления кристаллических или упорядоченных доменов, связанных с силиконом. Измеренная энтальпия плавления составляет примерно 23 Дж/г.

Результаты показывают постепенное увеличение значения_{Удельная теплоемкость (cp)Теплоемкость - это специфическая для каждого материала физическая величина, определяемая количеством тепла, подведенного к образцу, деленным на полученное повышение температуры. Удельная теплоемкость относится к единице массы образца.cp} с ростом температуры, что соответствует ожиданиям для полимерных материалов. Эндотермический эффект в районе -41 °C не использовался напрямую для расчета теплопроводности. Вместо этого кривая_{Удельная теплоемкость (cp)Теплоемкость - это специфическая для каждого материала физическая величина, определяемая количеством тепла, подведенного к образцу, деленным на полученное повышение температуры. Удельная теплоемкость относится к единице массы образца.cp} была интерполирована в этой переходной области, чтобы исключить вклад скрытой теплоты из расчета теплопроводности.

Теплопроводность силиконовой прокладки непрерывно снижается с ростом температуры (см. рис. 2). При низких температурах около -100 °C теплопроводность составляет примерно 0,18 мм²/с. При комнатной температуре наблюдаются значения около 0,14 мм²/с. При 300 °C коэффициент диффузии снижается примерно до 0,08 мм²/с.

Такое поведение характерно для материалов на полимерной основе. С повышением температуры перенос фононов становится менее эффективным из-за увеличения подвижности молекул и усиления процессов рассеяния. В результате теплопроводность снижается, несмотря на увеличение удельной теплоемкости.

Рассчитанная теплопроводность остается в сравнительно узком диапазоне в течение исследуемого интервала температур. При низких температурах теплопроводность составляет примерно 0,25 Вт/(м·К). С ростом температуры теплопроводность снижается и достигает значений примерно 0,17 Вт/(м·К) при 300 °C.

Заключение

Данный пример демонстрирует, что система « LFA 717 HyperFlash^® » обеспечивает получение надежных данных о теплопроводности в широком диапазоне температур — в том числе в сложных криогенных условиях — благодаря высокой чувствительности и точному регулированию температуры, даже при использовании медленно реагирующих прокладок на силиконовой основе. Особенно в низкотемпературном диапазоне решающее значение имеет дополнительное определение удельной теплоемкости с помощью ДСК, поскольку только сочетание данных ЛФА, значений_cp и плотности позволяет надежно рассчитать теплопроводность. Способность обеспечивать надежные результаты даже при температурах ниже комнатной является явным преимуществом для разработки современных силиконовых теплопроводящих материалов (TIM).