Tản nhiệt cho thiết bị điện tử - silicone dẫn nhiệt

1. Tại sao các thiết bị điện tử cần tản nhiệt?

Các thiết bị điện tử tạo ra một lượng nhiệt đáng kể trong quá trình hoạt động, lượng nhiệt này chủ yếu bị lãng phí dưới dạng nhiệt năng. Nhiệt độ quá cao có thể làm hỏng nghiêm trọng độ tin cậy và tuổi thọ của các thiết bị điện tử. Vì vậy, cần có tản nhiệt để nhanh chóng tiêu tan lượng nhiệt dư này.

Nhân tố chính trong quá trình tản nhiệt này là vật liệu giao diện nhiệt. Những vật liệu này chủ yếu được sử dụng để lấp đầy những khoảng trống nhỏ và những bất thường trên bề mặt được tạo ra khi thiết bị điện tử tiếp xúc với tản nhiệt, từ đó làm giảm khả năng cản nhiệt trong quá trình dẫn nhiệt và cải thiện hiệu quả tản nhiệt.

Với sự ra đời của 5G, các thiết bị đầu cuối di động không dây như thiết bị đeo thông minh, xe tự lái và thiết bị VR/AR đang có xu hướng tiêu thụ điện năng tăng đáng kể và sinh nhiệt tăng đáng kể. Đồng thời, thiết bị đầu cuối 5G đang bắt đầu sử dụng các vật liệu vỏ mới như gốm và thủy tinh, có hiệu suất tản nhiệt kém hơn kim loại, đặt ra yêu cầu cao hơn đối với vật liệu giao diện nhiệt. Mặt khác, việc xây dựng các trạm gốc 5G cũng thúc đẩy nhu cầu lớn về tản nhiệt.

Nói tóm lại, vật liệu giao diện nhiệt đang trở thành hỗ trợ quan trọng cho công nghệ tản nhiệt điện tử. Một mặt, việc nâng cấp liên tục các sản phẩm điện tử đã dẫn đến sự mở rộng bền vững trong các lĩnh vực ứng dụng và cách sử dụng các vật liệu này; mặt khác, các kịch bản ứng dụng mới nổi cũng mang đến những thách thức mới về hiệu suất đối với các vật liệu có bề mặt dẫn nhiệt. Có thể thấy trước rằng các vật liệu giao diện dẫn nhiệt sẽ trở thành một trong những trụ cột chính thúc đẩy sự phát triển của công nghệ điện tử.

2. Thành phần của silicone dẫn nhiệt

Gel silicon là một loại cao su silicon đặc biệt được gọi là "vật liệu cùng tồn tại ở dạng rắn{0}}lỏng", trong đó chất lỏng và chất rắn cùng tồn tại. Nó là một cấu trúc mạng bao gồm các hợp chất polyme và sở hữu các đặc tính độc đáo. Trước khi đóng rắn, nó thường được chia thành hai thành phần A và B. Dưới sự xúc tác của các hợp chất kim loại bạch kim, các nhóm vinyl hoặc propylene trên ma trận nhựa organosilicon dẫn nhiệt phản ứng với các nhóm silanol trên các phân tử tác nhân liên kết ngang để tạo thành gel. Toàn bộ phản ứng là phản ứng lưu hóa cộng, không tạo ra sản phẩm phụ và do đó không co ngót. Cao su silicon dẫn nhiệt là một polyorganosiloxane tuyến tính có khối lượng mol cao (thường trên 148.000 g/mol).

3. Đặc tính kết dính của silicone dẫn nhiệt

Chuỗi chính của các phân tử polysiloxan thường bao gồm các liên kết Si-O-Si. Trong cấu trúc phân tử này, R thường là metyl, nhưng các nhóm khác, chẳng hạn như etyl, vinyl, phenyl và trifluoroaldehyde, có thể được đưa vào để cải thiện hoặc tăng cường một số tính chất nhất định. R' là hydroxyl hoặc alkyl và n đại diện cho số lượng đơn vị chuỗi.

Vật liệu polysiloxane này có các đặc tính chính sau:

1. Tính chất hóa lý ổn định, phần lớn không phụ thuộc vào nhiệt độ, có thể sử dụng ở nhiệt độ 50-250 độ, với khả năng cách điện tuyệt vời và khả năng chịu nhiệt độ cao và thấp (-50-250 độ).

2. Bám dính vật lý vào bề mặt của hầu hết các thiết bị điện tử thông thường hoặc các vật liệu khác mà không cần sơn lót hoặc chất xử lý bề mặt và không tạo ra sản phẩm phụ hoặc co ngót trong quá trình đóng rắn.

3. Hệ thống không màu và trong suốt, giúp dễ dàng quan sát cấu trúc bên trong của chậu khi sử dụng làm hỗn hợp bầu. Sau khi đóng rắn ở trạng thái bán đóng rắn, nó thể hiện đặc tính bám dính và bịt kín tốt đối với nhiều chất nền cũng như khả năng chống chu trình nhiệt tuyệt vời.

4. Thời gian khả thi dài; hai thành phần không tạo gel nhanh sau khi trộn. Quá trình gia nhiệt thúc đẩy quá trình đóng rắn và thời gian đóng rắn có thể được kiểm soát linh hoạt bằng cách điều chỉnh nhiệt độ đóng rắn. 5. Đặc tính tự san phẳng tuyệt vời-tạo điều kiện thuận lợi cho dòng chảy vào các điểm nhỏ giữa các thành phần vi mô-trong mạch.

6. Độ cứng, độ chảy và thời gian lưu hóa của gel có thể được điều chỉnh linh hoạt cho các tình huống ứng dụng khác nhau. Nó cũng có thể được tạo thành gel silicon có đặc tính chống cháy, dẫn điện hoặc dẫn nhiệt.

7. Khả năng tự phục hồi tốt; nó có thể tự động sửa chữa các vết nứt do ngoại lực gây ra, đồng thời cung cấp khả năng chống thấm, chống ẩm và chống rỉ sét.

8. Tính thấm dầu của gel silicone

Trong quá trình lưu hóa gel silicon, nó tồn tại ở trạng thái cùng tồn tại ở dạng rắn{0}}lỏng với mật độ liên kết chéo-thấp. Do đó, gel silicon dẫn nhiệt được sản xuất dễ bị thấm dầu, có thể làm nhiễm bẩn các thiết bị điện tử và làm giảm độ tin cậy lâu dài của chúng. Để cải thiện tính dẫn nhiệt của nhựa silicon đồng thời tránh rò rỉ dầu, cần tăng-mật độ liên kết ngang của gel silicon dẫn nhiệt.

Mật độ liên kết chéo-cao hơn cho phép nhiều đại phân tử organosilicon phản ứng và liên kết chéo-thành một cấu trúc mạng hoàn chỉnh, mang lại tính linh hoạt tốt. Nhựa liên kết không chéo-hầu như không tồn tại; ngay cả khi tồn tại một lượng nhỏ cấu trúc mạng hoàn chỉnh, nó sẽ tạo thành các điểm liên kết chéo dày đặc-trên mỗi đơn vị khối lượng. Nhựa liên kết không chéo tạo ra hệ số ma sát cao với cấu trúc mạng trong quá trình chuyển động, cản trở dòng chảy của nó và do đó làm giảm sự rò rỉ dầu.

Do đó, việc tăng mật độ liên kết chéo của gel silicon dẫn nhiệt là chìa khóa để giải quyết vấn đề rò rỉ dầu. Bằng cách tối ưu hóa công thức và quy trình, mật độ liên kết ngang có thể tăng lên{2}}, cải thiện tính dẫn nhiệt đồng thời ngăn chặn hiệu quả sự rò rỉ dầu và cải thiện độ tin cậy của các thiết bị điện tử.

5. Độ bám dính của silicone như thế nào?

Trong một số ứng dụng, chẳng hạn như giữa màng PET và hợp kim nhôm trong mô-đun pin, có những yêu cầu nhất định về độ bám dính của silicone dẫn nhiệt. Hiệu suất kết dính của silicone dẫn nhiệt chủ yếu liên quan đến độ nhớt và độ bền khối của gel. Độ nhớt của gel xác định cường độ bám dính của nó tại bề mặt liên kết, trong khi cường độ khối quyết định lực cần thiết để gel bị phá vỡ, lực này thường được gọi là lực liên kết của gel.

Cường độ của lực dính tại bề mặt được xác định bởi cường độ tương đối của lực dính của chất keo. Nếu lực dính của chất keo nhỏ hơn lực dính cần thiết để chất keo bị phá vỡ thì xảy ra lỗi giao diện và độ lớn của lực dính chủ yếu phụ thuộc vào lực dính, tức là độ nhớt. Nếu lực kết dính của chất keo lớn hơn lực kết dính cần thiết để chất keo bị phá vỡ thì xảy ra hiện tượng mất kết dính và độ lớn của lực kết dính chủ yếu phụ thuộc vào lực kết dính của chất keo.

6. Lĩnh vực ứng dụng của silicone dẫn nhiệt

(1) Thiết bị điện tử hàng không

Một loại công tắc hệ thống điện tử hàng không nhất định đã gặp phải lỗi mất gói dữ liệu ở nhiệt độ thấp-, do ứng suất cục bộ quá mức trong các miếng đệm dẫn nhiệt được sử dụng trong thiết kế ban đầu. So với các miếng đệm dẫn nhiệt truyền thống và chất kết dính dẫn nhiệt, mỡ silicon dẫn nhiệt, là một loại vật liệu giao diện dẫn nhiệt mới, hoạt động xuất sắc trong các thử nghiệm khác nhau như hiệu suất nhiệt độ cao và thấp, an toàn va chạm và rung liên tục và có thể được áp dụng trong sản xuất các sản phẩm điện tử hàng không.

(2) Thiết bị điện tử 5G

Vật liệu silicon dẫn nhiệt mới không chỉ có thể nâng cao hiệu quả dẫn nhiệt mà còn đạt được khả năng truyền nhiệt hiệu quả. So với các vật liệu dẫn nhiệt truyền thống, silicone dẫn nhiệt mới có thể cải thiện hiệu quả hiệu suất truyền tín hiệu trong các ứng dụng linh kiện điện tử, thúc đẩy ứng dụng chất lượng cao-trong thiết bị 5G.

(3) Pin điện

Hầu hết pin điện đều sử dụng pin lithium{0}}ion, có những ưu điểm như mật độ năng lượng cao và tuổi thọ dài nhưng cũng gây ra những mối nguy hiểm đáng kể về an toàn. Trong điều kiện lái xe bình thường và bất ngờ, pin lithium có thể bị rung liên tục, thay đổi nhiệt độ, ngâm trong nước, đoản mạch một phần, quá tải, tác động cơ học, v.v., đe dọa sự an toàn của người lái xe và hành khách.

Nếu sử dụng silicone dẫn nhiệt và chống cháy-để bọc các tế bào pin riêng lẻ thì hiệu suất an toàn của bộ pin có thể được cải thiện đáng kể. Silicon dẫn nhiệt có thể đóng vai trò trong việc bịt kín chống thấm nước, bịt kín-chống cháy, tản nhiệt, hấp thụ sốc và cố định, duy trì hoạt động an toàn của pin lithium trong môi trường phức tạp hoặc thậm chí không mong đợi, đó là mục tiêu mà tất cả các bên theo đuổi.