Inledning
Silikonbaserade distansplattor används i stor utsträckning som värmeledande gränssnittsmaterial (TIM) inom elektronik, effektmoduler och batterisystem. Deras huvudsakliga funktion är att överbrygga luftspalter mellan värmealstrande komponenter och kylflänsar, samtidigt som de kompenserar för ytjämnheter och mekaniska toleranser. Förutom mekanisk eftergivlighet är kylplattans Termisk konduktivitetVärmekonduktivitet (λ med enheten W/(m-K)) beskriver transporten av energi - i form av värme - genom en masskropp som ett resultat av en temperaturgradient (se fig. 1). Enligt termodynamikens andra huvudsats strömmar värme alltid i riktning mot den lägre temperaturen.värmeledningsförmåga en av de viktigaste parametrarna för att bedöma dess lämplighet i en specifik värmehanteringskonstruktion.
Metod och mätförhållanden
För att erhålla meningsfulla värden för värmeledningsförmågan, särskilt vid låga temperaturer, kompletteras LFA-mätningen helst med en bestämning av den specifika värmekapaciteten med hjälp av DSC. Den kraftfulla kombinationen av LFA-, DSC- och densitetsdata ger en helhetsbild och en tillförlitlig bild av materialets termiska egenskaper.
Därför mättes värmediffusionskoefficienten med hjälp av Laser Flash Analysis (LFA) med användning av NETZSCH LFA 717 HyperFlash® . Den specifika värmekapaciteten (Specifik värmekapacitet (cp)Värmekapacitet är en materialspecifik fysikalisk storhet som bestäms av den värmemängd som tillförs provkroppen, dividerat med den resulterande temperaturökningen. Den specifika värmekapaciteten är relaterad till en massa-enhet av provkroppen.cp) bestämdes separat med DSC med hjälp av NETZSCH DSC 204 F1 Phoenix®. Tillsammans med provets TäthetMassdensiteten definieras som förhållandet mellan massa och volym. densitet beräknades värmeledningsförmågan enligt:
där
λ = Termisk konduktivitetVärmekonduktivitet (λ med enheten W/(m-K)) beskriver transporten av energi - i form av värme - genom en masskropp som ett resultat av en temperaturgradient (se fig. 1). Enligt termodynamikens andra huvudsats strömmar värme alltid i riktning mot den lägre temperaturen.värmeledningsförmåga i W/(m·K)
α = värmediffusionskoefficient i mm²/s
Specifik värmekapacitet (cp)Värmekapacitet är en materialspecifik fysikalisk storhet som bestäms av den värmemängd som tillförs provkroppen, dividerat med den resulterande temperaturökningen. Den specifika värmekapaciteten är relaterad till en massa-enhet av provkroppen.cp = Specifik värmekapacitet (cp)Värmekapacitet är en materialspecifik fysikalisk storhet som bestäms av den värmemängd som tillförs provkroppen, dividerat med den resulterande temperaturökningen. Den specifika värmekapaciteten är relaterad till en massa-enhet av provkroppen.specifik värmekapacitet i J/(g·K)
ρ = TäthetMassdensiteten definieras som förhållandet mellan massa och volym. densitet i g/cm³
Mätningarna utfördes i en kväveatmosfär. DSC-mätningen användes för att bestämma den specifika värmekapaciteten och de energetiska övergångarna hos silikonkudden. Totalt testades två prover och för beräkningen av värmeledningsförmågan användes de genomsnittligaSpecifik värmekapacitet (cp)Värmekapacitet är en materialspecifik fysikalisk storhet som bestäms av den värmemängd som tillförs provkroppen, dividerat med den resulterande temperaturökningen. Den specifika värmekapaciteten är relaterad till en massa-enhet av provkroppen.cp-värdena.
LFA-mätningen gav den temperaturberoende värmediffusionskoefficienten.
Tabell 1 visar mätförhållandena för DSC och LFA.
Tabell 1: Mätförhållanden för DSC och LFA
| Metod | DSC | LFA |
|---|---|---|
| Instrument | DSC 204 F1 Phoenix® | LFA 717 HyperFlash® |
| Atmosfär | Kväve | Kväve |
| Temperaturprogram | -150 °C till 310 °C | -100 °C till 300 °C |
| Uppvärmningshastighet | 10 K/min | 10 K/min |
| Provets massa | Prov 1: 11,205 mg; Prov 2: 11,224 mg | - |
| Provets mått | Ø 4 mm, 1 mm tjock | 20 mm × 20 mm × 0,8 mm |
| Sensor/termoelement | DSC 204 F1 t-sensor, typ E | MCT, typ K |
Resultat
DSC-mätningen visar den temperaturberoende specifika värmekapaciteten hos silikonplattan mellan -150 °C och 310 °C (figur 1). Vid låga temperaturer observeras en glasövergång vid cirka -121 °C. Förändringen i Specifik värmekapacitet (cp)Värmekapacitet är en materialspecifik fysikalisk storhet som bestäms av den värmemängd som tillförs provkroppen, dividerat med den resulterande temperaturökningen. Den specifika värmekapaciteten är relaterad till en massa-enhet av provkroppen.specifik värmekapacitet vid glasövergången är cirka 0,09 J/(g·K). En tydlig endotermisk topp uppträder vid cirka -41 °C, vilket tillskrivs smältövergången hos kristallina eller ordnade silikonrelaterade domäner. Den uppmätta smältentalpin är cirka 23 J/g.
Resultaten visar en gradvis ökning avSpecifik värmekapacitet (cp)Värmekapacitet är en materialspecifik fysikalisk storhet som bestäms av den värmemängd som tillförs provkroppen, dividerat med den resulterande temperaturökningen. Den specifika värmekapaciteten är relaterad till en massa-enhet av provkroppen.cp med stigande temperatur, vilket är vad man kan förvänta sig av polymermaterial. Den endotermiska effekten kring -41 °C användes inte direkt vid beräkningen av värmeledningsförmågan. Istället interpoleradesSpecifik värmekapacitet (cp)Värmekapacitet är en materialspecifik fysikalisk storhet som bestäms av den värmemängd som tillförs provkroppen, dividerat med den resulterande temperaturökningen. Den specifika värmekapaciteten är relaterad till en massa-enhet av provkroppen.cp-kurvan över detta övergångsområde för att undvika att latenta värmebidrag inkluderades i beräkningen av värmeledningsförmågan.
Värmediffusionskoefficienten för silikonplattan minskar kontinuerligt med stigande temperatur, se figur 2. Vid låga temperaturer runt -100 °C är diffusionskoefficienten cirka 0,18 mm²/s. Vid rumstemperatur observeras värden runt 0,14 mm²/s. Vid 300 °C minskar diffusiviteten till cirka 0,08 mm²/s.
Detta beteende är typiskt för polymerbaserade material. När temperaturen stiger blir fonontransporten mindre effektiv på grund av ökad molekylär rörlighet och förstärkta spridningsprocesser. Följaktligen minskar värmediffusionskoefficienten, trots att den specifika värmekapaciteten ökar.
Den beräknade värmeledningsförmågan ligger inom ett relativt snävt intervall över det undersökta temperaturintervallet. Vid låga temperaturer är ledningsförmågan cirka 0,25 W/(m·K). När temperaturen stiger minskar ledningsförmågan och når värden på cirka 0,17 W/(m·K) vid 300 °C.
Slutsats
Detta exempel visar att analyssystemet ” LFA 717 HyperFlash® ” tillhandahåller tillförlitliga data om värmediffusionskoefficienten över ett brett temperaturområde – inklusive krävande kryogena förhållanden – tack vare sin höga känslighet och precisa temperaturreglering, även vid användning av långsamt reagerande gränssnittskuddar baserade på silikon. Särskilt i det låga temperaturområdet är den kompletterande bestämningen av den specifika värmekapaciteten med hjälp av DSC avgörande, eftersom endast kombinationen av LFA-data,cp-värden och TäthetMassdensiteten definieras som förhållandet mellan massa och volym. densitet möjliggör en tillförlitlig beräkning av värmeledningsförmågan. Denna förmåga att leverera tillförlitliga resultat även under rumstemperatur är en tydlig fördel för utvecklingen av moderna silikonbaserade värmeledande material (TIM).