Giriş
Silikon bazlı ara pedleri, elektronik cihazlarda, güç modüllerinde ve pil sistemlerinde termal arayüz malzemeleri (TIM) olarak yaygın bir şekilde kullanılmaktadır. Bu pedlerin temel işlevi, ısı üreten bileşenler ile ısı alıcıları arasındaki hava boşluklarını doldururken, yüzey pürüzlülüğünü ve mekanik toleransları telafi etmektir. Mekanik esnekliğin yanı sıra, pedin termal iletkenliği, belirli bir termal yönetim tasarımında uygunluğunu değerlendirmek için temel parametrelerden biridir.
Yöntem ve Ölçüm Koşulları
Özellikle düşük sıcaklıklarda anlamlı Termal İletkenlikTermal iletkenlik (W/(m-K) birimiyle λ), sıcaklık gradyanının bir sonucu olarak enerjinin - ısı şeklinde - kütleli bir cisim boyunca taşınmasını tanımlar (bkz. Şekil 1). Termodinamiğin ikinci yasasına göre, ısı her zaman düşük sıcaklık yönünde akar.termal iletkenlik değerleri elde etmek için, LFA ölçümü ideal olarak DSC tabanlı özgül ısı kapasitesi tayini ile tamamlanır. LFA, DSC ve YoğunlukKütle yoğunluğu, kütle ve hacim arasındaki oran olarak tanımlanır. yoğunluk verilerinin oluşturduğu güçlü kombinasyon, malzemenin termal performansı hakkında kapsamlı ve güvenilir bir tablo sunar.
Bu nedenle, Termal DifüziviteTermal difüzivite (mm2/s birimiyle a), kararsız ısı iletimini karakterize etmek için malzemeye özgü bir özelliktir. Bu değer, bir malzemenin sıcaklıktaki bir değişikliğe ne kadar hızlı tepki verdiğini açıklar.termal difüzivite, NETZSCH LFA 717 HyperFlash® kullanılarak Lazer Flaş Analizi (LFA) ile ölçülmüştür. Öz ısı kapasitesi (Özgül Isı Kapasitesi (cp)Isı kapasitesi, numuneye verilen ısı miktarının ortaya çıkan sıcaklık artışına bölünmesiyle belirlenen, malzemeye özgü fiziksel bir niceliktir. Özgül ısı kapasitesi, numunenin birim kütlesiyle ilişkilidir.cp) ise NETZSCH kullanılarak DSC ile ayrı olarak belirlenmiştir DSC 204 F1 Phoenixkullanılarak DSC yöntemi ile ayrı olarak belirlenmiştir. Numune yoğunluğu ile birlikte, Termal İletkenlikTermal iletkenlik (W/(m-K) birimiyle λ), sıcaklık gradyanının bir sonucu olarak enerjinin - ısı şeklinde - kütleli bir cisim boyunca taşınmasını tanımlar (bkz. Şekil 1). Termodinamiğin ikinci yasasına göre, ısı her zaman düşük sıcaklık yönünde akar.termal iletkenlik aşağıdaki formüle göre hesaplanmıştır:
ile
λ = W/(m·K) cinsinden Termal İletkenlikTermal iletkenlik (W/(m-K) birimiyle λ), sıcaklık gradyanının bir sonucu olarak enerjinin - ısı şeklinde - kütleli bir cisim boyunca taşınmasını tanımlar (bkz. Şekil 1). Termodinamiğin ikinci yasasına göre, ısı her zaman düşük sıcaklık yönünde akar.termal iletkenlik
α = mm²/s cinsinden Termal DifüziviteTermal difüzivite (mm2/s birimiyle a), kararsız ısı iletimini karakterize etmek için malzemeye özgü bir özelliktir. Bu değer, bir malzemenin sıcaklıktaki bir değişikliğe ne kadar hızlı tepki verdiğini açıklar.termal difüzivite
Özgül Isı Kapasitesi (cp)Isı kapasitesi, numuneye verilen ısı miktarının ortaya çıkan sıcaklık artışına bölünmesiyle belirlenen, malzemeye özgü fiziksel bir niceliktir. Özgül ısı kapasitesi, numunenin birim kütlesiyle ilişkilidir.cp = J/(g·K) cinsinden özgül ısı kapasitesi
ρ = g/cm³ cinsinden YoğunlukKütle yoğunluğu, kütle ve hacim arasındaki oran olarak tanımlanır. yoğunluk
Ölçümler azot atmosferi altında gerçekleştirilmiştir. Silikon pedin özgül ısı kapasitesini ve enerjisel geçişlerini belirlemek için DSC ölçümü kullanılmıştır. Toplamda iki numune test edilmiş ve ısı iletkenliğinin hesaplanması için ortalamaÖzgül Isı Kapasitesi (cp)Isı kapasitesi, numuneye verilen ısı miktarının ortaya çıkan sıcaklık artışına bölünmesiyle belirlenen, malzemeye özgü fiziksel bir niceliktir. Özgül ısı kapasitesi, numunenin birim kütlesiyle ilişkilidir.cp değerleri alınmıştır.
LFA ölçümü, sıcaklığa bağlı termal difüziviteyi sağlamıştır.
Tablo 1, DSC ve LFA için ölçüm koşullarını göstermektedir.
Tablo 1: DSC ve LFA için ölçüm koşulları
| Yöntem | DSC | LFA |
|---|---|---|
| Cihaz | DSC 204 F1 Phoenix® | LFA 717 HyperFlash® |
| Atmosfer | Azot | Azot |
| Sıcaklık programı | -150 °C ila 310 °C | -100 °C ila 300 °C |
| Isıtma hızı | 10 K/dk | 10 K/ay |
| Numune kütlesi | Örnek 1: 11,205 mg; Örnek 2: 11,224 mg | - |
| Numune boyutları | Ø 4 mm, 1 mm kalınlık | 20 mm x 20 mm x 0,8 mm |
| Sensör/termokupl | DSC 204 F1 t-sensörü, tip E | MCT, tip K |
Sonuçlar
DSC ölçümü, -150 °C ile 310 °C arasındaki sıcaklık aralığında silikon pedin sıcaklığa bağlı özgül ısı kapasitesini göstermektedir (Şekil 1). Düşük sıcaklıklarda, yaklaşık -121 °C’de bir cam geçişi gözlemlenmektedir. Cam geçişinde özgül ısı kapasitesindeki değişim yaklaşık 0,09 J/(g·K) değerindedir. Yaklaşık -41°C'de belirgin bir EndotermikBir örnek geçişi veya bir reaksiyon, dönüşüm için ısı gerekiyorsa endotermiktir.endotermik tepe noktası görülür; bu durum, kristal veya düzenli silikonla ilişkili alanların Erime Sıcaklıkları ve EntalpileriGizli ısı olarak da bilinen bir maddenin füzyon entalpisi, bir maddeyi katı halden sıvı hale dönüştürmek için gerekli olan enerji girdisinin, tipik olarak ısının bir ölçüsüdür. Bir maddenin erime noktası, katı (kristal) halden sıvı (izotropik eriyik) hale geçtiği sıcaklıktır. erime geçişine atfedilir. Ölçülen Erime Sıcaklıkları ve EntalpileriGizli ısı olarak da bilinen bir maddenin füzyon entalpisi, bir maddeyi katı halden sıvı hale dönüştürmek için gerekli olan enerji girdisinin, tipik olarak ısının bir ölçüsüdür. Bir maddenin erime noktası, katı (kristal) halden sıvı (izotropik eriyik) hale geçtiği sıcaklıktır. erime entalpisi yaklaşık 23 J/g'dir.
Sonuçlar, polimerik malzemeler için beklendiği üzere, sıcaklığın artmasıyla birlikteÖzgül Isı Kapasitesi (cp)Isı kapasitesi, numuneye verilen ısı miktarının ortaya çıkan sıcaklık artışına bölünmesiyle belirlenen, malzemeye özgü fiziksel bir niceliktir. Özgül ısı kapasitesi, numunenin birim kütlesiyle ilişkilidir.cp değerinde kademeli bir artış olduğunu göstermektedir. -41 °C civarındaki EndotermikBir örnek geçişi veya bir reaksiyon, dönüşüm için ısı gerekiyorsa endotermiktir.endotermik etki, Termal İletkenlikTermal iletkenlik (W/(m-K) birimiyle λ), sıcaklık gradyanının bir sonucu olarak enerjinin - ısı şeklinde - kütleli bir cisim boyunca taşınmasını tanımlar (bkz. Şekil 1). Termodinamiğin ikinci yasasına göre, ısı her zaman düşük sıcaklık yönünde akar.termal iletkenlik hesaplamasında doğrudan kullanılmamıştır. Bunun yerine, iletkenlik hesaplamasına gizli ısı katkılarının dahil edilmesini önlemek amacıyla,Özgül Isı Kapasitesi (cp)Isı kapasitesi, numuneye verilen ısı miktarının ortaya çıkan sıcaklık artışına bölünmesiyle belirlenen, malzemeye özgü fiziksel bir niceliktir. Özgül ısı kapasitesi, numunenin birim kütlesiyle ilişkilidir.cp eğrisi bu geçiş bölgesi boyunca enterpolasyona tabi tutulmuştur.
Silikon pedin termal difüzivitesi, sıcaklığın artmasıyla birlikte sürekli olarak azalır; bkz. Şekil 2. -100 °C civarındaki düşük sıcaklıklarda difüzivite yaklaşık 0,18 mm²/s’dir. Oda sıcaklığında ise 0,14 mm²/s civarında değerler gözlemlenir. 300°C'de difüzyon katsayısı yaklaşık 0,08 mm²/s'ye düşer.
Bu davranış, polimer bazlı malzemeler için tipiktir. Sıcaklığın artmasıyla birlikte, moleküler hareketliliğin artması ve saçılma süreçlerinin güçlenmesi nedeniyle fonon taşınımı daha az verimli hale gelir. Sonuç olarak, özgül ısı kapasitesi artmasına rağmen Termal DifüziviteTermal difüzivite (mm2/s birimiyle a), kararsız ısı iletimini karakterize etmek için malzemeye özgü bir özelliktir. Bu değer, bir malzemenin sıcaklıktaki bir değişikliğe ne kadar hızlı tepki verdiğini açıklar.termal difüzivite azalır.
Hesaplanan Termal İletkenlikTermal iletkenlik (W/(m-K) birimiyle λ), sıcaklık gradyanının bir sonucu olarak enerjinin - ısı şeklinde - kütleli bir cisim boyunca taşınmasını tanımlar (bkz. Şekil 1). Termodinamiğin ikinci yasasına göre, ısı her zaman düşük sıcaklık yönünde akar.termal iletkenlik, incelenen sıcaklık aralığı boyunca nispeten dar bir aralıkta kalır. Düşük sıcaklıklarda iletkenlik yaklaşık 0,25 W/(m·K) değerindedir. Sıcaklık arttıkça iletkenlik azalır ve 300 °C'de yaklaşık 0,17 W/(m·K) değerine ulaşır.
Sonuç
Bu örnek, LFA 717 HyperFlash® cihazının, yüksek hassasiyeti ve hassas sıcaklık kontrolü sayesinde, yavaş tepki veren silikon bazlı arayüz pedleri kullanıldığında bile zorlu kriyojenik koşullar da dahil olmak üzere geniş bir sıcaklık aralığında güvenilir Termal DifüziviteTermal difüzivite (mm2/s birimiyle a), kararsız ısı iletimini karakterize etmek için malzemeye özgü bir özelliktir. Bu değer, bir malzemenin sıcaklıktaki bir değişikliğe ne kadar hızlı tepki verdiğini açıklar.termal difüzivite verileri sağladığını göstermektedir. Özellikle düşük sıcaklık aralığında, DSC kullanılarak özgül ısı kapasitesinin ek olarak belirlenmesi hayati önem taşır; zira sadece LFA verileri,cp değerleri ve yoğunluğun bir araya gelmesi, termal iletkenliğin güvenilir bir şekilde hesaplanmasını mümkün kılar. Oda sıcaklığının altında bile güvenilir sonuçlar sunma yeteneği, modern silikon TIM’lerin geliştirilmesi açısından açık bir avantajdır.