Tìm hiểu tấm silicon dẫn nhiệt trong một bài viết

Vật liệu dẫn nhiệt truyền thống chủ yếu bao gồm kim loại (Ag, Cu và Al) và oxit kim loại (Al₂O₃, MgO và BeO), cũng như các vật liệu phi kim loại (graphit, muội than, Si₃N₄ và AlN). Những yêu cầu mới đã được đặt ra đối với các vật liệu dẫn nhiệt do sự tiến bộ của sản xuất công nghiệp và khoa học công nghệ. Mong muốn về các vật liệu có đặc tính toàn diện đặc biệt đã được quan sát thấy. Trong lĩnh vực điện và điện tử, kích thước của các linh kiện điện tử và mạch logic đã giảm hàng nghìn lần do sự phát triển nhanh chóng của công nghệ tích hợp và lắp ráp. Do đó, cần phải có vật liệu cách nhiệt có tính dẫn nhiệt cao. Trong vài thập kỷ qua, các lĩnh vực ứng dụng của vật liệu polymer đã không ngừng mở rộng. Việc thay thế các vật liệu công nghiệp truyền thống, đặc biệt là vật liệu kim loại, bằng vật liệu polymer tổng hợp nhân tạo đã trở thành trọng tâm nghiên cứu khoa học toàn cầu. I. Tấm silicon dẫn nhiệt là gì?

Tấm silicon dẫn nhiệt là một loại vật liệu trung bình được tổng hợp thông qua một quy trình độc đáo. Quá trình này liên quan đến việc sử dụng silicone làm vật liệu cơ bản và bổ sung nhiều loại vật liệu phụ trợ, chẳng hạn như oxit kim loại. Cao su silicon dẫn nhiệt là vật liệu tổng hợp polymer đạt được tính dẫn nhiệt bằng cách đổ đầy bột dẫn nhiệt và sử dụng nhựa organosilicon làm chất kết dính.

II. Vật liệu ma trận và chất độn thường được sử dụng cho tấm silicon dẫn nhiệt

Nhựa Organosilicon (Nguyên liệu thô cơ bản)

1. Chất độn cách nhiệt và dẫn nhiệt: Alumina, Magiê Oxide, Boron Nitride, Nhôm Nitride, Beryllium Oxide, Thạch anh, v.v. Chất dẻo Organosilicon

2. Chất chống cháy: Magiê Hydroxide, Nhôm Hydroxide

3. Chất tạo màu vô cơ (Phân biệt màu)

4. Tác nhân liên kết ngang (yêu cầu về hiệu suất bám dính)

5. Chất xúc tác (yêu cầu về quá trình đúc)

Lưu ý: Các miếng silicon dẫn nhiệt có chức năng dẫn nhiệt, tạo thành đường dẫn nhiệt tốt giữa phần tử tạo nhiệt và thiết bị tản nhiệt. Cùng với các bộ tản nhiệt, ốc vít kết cấu (quạt), v.v., chúng tạo thành một mô-đun tản nhiệt.

Chất độn bao gồm các chất độn kim loại và vô cơ sau:

1. Chất độn bột kim loại: bột đồng, bột nhôm, bột sắt, bột thiếc, bột niken, v.v.;

2. Oxit kim loại: oxit nhôm, oxit bismuth, oxit berili, oxit magiê, oxit kẽm;

3. Kim loại... Nitrua: Nhôm nitrit, Boron nitrit, Silicon nitrit;

4. Phi kim loại vô cơ-: Than chì, cacbua silic, sợi cacbon, ống nano cacbon, Graphene, cacbua berili, v.v.

Hình ảnh III. Phân loại gioăng silicon dẫn nhiệt
Miếng đệm silicon dẫn nhiệt có thể được chia thành: miếng đệm silicon dẫn nhiệt và miếng đệm silicon không -silicone. Đặc tính cách điện của hầu hết các miếng đệm silicon dẫn nhiệt cuối cùng được xác định bởi đặc tính cách điện của các hạt độn.

1. Miếng silicon dẫn nhiệt
Miếng silicon dẫn nhiệt còn được chia thành nhiều loại nhỏ, mỗi loại có những đặc điểm riêng biệt.

2. Miếng đệm silicon không-silicone Miếng đệm silicon không-là vật liệu có tính dẫn nhiệt cao, có chất kết dính-hai mặt tự dính. Khi được sử dụng trong lắp ráp linh kiện điện tử, chúng có khả năng chịu nhiệt thấp và đặc tính cách điện tốt dưới lực nén thấp. Chúng hoạt động ổn định từ -40 độ đến 150 độ và đạt tiêu chuẩn chống cháy UL94V0.

IV. Cơ chế dẫn nhiệt của silicone dẫn nhiệt

Độ dẫn nhiệt của silicone dẫn nhiệt phụ thuộc vào sự tương tác giữa polymer và chất độn dẫn nhiệt. Các loại chất độn khác nhau có cơ chế dẫn nhiệt khác nhau.

1. Cơ chế dẫn nhiệt của chất độn kim loại
Chất độn kim loại chủ yếu dẫn nhiệt thông qua chuyển động của điện tử; quá trình chuyển động của điện tử đi kèm với sự truyền nhiệt.

2. Cơ chế dẫn nhiệt của chất độn phi kim loại
Chất độn phi kim loại chủ yếu dựa vào sự dẫn phonon; tốc độ khuếch tán nhiệt của chúng chủ yếu phụ thuộc vào sự dao động của các nguyên tử hoặc nhóm liên kết lân cận. Chúng bao gồm các oxit kim loại, nitrua kim loại và cacbua.

V. Cách sử dụng tấm silicon dẫn nhiệt

Nói chung, các miếng silicon dẫn nhiệt phải được tích hợp vào thiết kế cấu trúc, phần cứng và mạch ngay từ giai đoạn thiết kế ban đầu. Các yếu tố cần xem xét thường bao gồm: độ dẫn nhiệt, thiết kế kết cấu, EMC, giảm rung và hấp thụ âm thanh cũng như lắp đặt và thử nghiệm.

1. Chọn giải pháp tản nhiệt: Các sản phẩm điện tử đang có xu hướng thiết kế nhỏ hơn, mỏng hơn và nhẹ hơn, thường sử dụng các phương pháp làm mát thụ động, truyền thống dựa vào tản nhiệt. Xu hướng hiện nay là loại bỏ hoàn toàn tản nhiệt, sử dụng các thành phần tản nhiệt kết cấu (giá đỡ kim loại, vỏ kim loại); hoặc kết hợp giải pháp tản nhiệt với các linh kiện tản nhiệt kết cấu. Nên chọn giải pháp có tỷ lệ hiệu suất-chi phí tốt nhất dựa trên các yêu cầu hệ thống và môi trường khác nhau.

2. Nếu sử dụng giải pháp tản nhiệt, bạn không nên sử dụng băng dính hai mặt{1}}dẫn nhiệt có độ dẫn nhiệt thấp; cũng không nên sử dụng mỡ tản nhiệt không có khả năng giảm rung. Nên sử dụng móc kim loại hoặc ghim nhựa để vận hành, chọn 0,5mm... Sử dụng miếng silicon dẫn nhiệt dày hơn kết hợp với các phương pháp khác giúp lắp đặt thuận tiện và loại bỏ nhu cầu sử dụng lớp nền dính. Điều này mang lại khả năng tản nhiệt tốt hơn đáng kể so với-băng dẫn nhiệt hai mặt, đồng thời an toàn và đáng tin cậy hơn. Chi phí tổng thể, bao gồm đơn giá, nhân công và thiết bị, có tính cạnh tranh hơn.

3. Khi lựa chọn cấu trúc tản nhiệt, cần xem xét dạng cấu trúc của cấu trúc tản nhiệt, chẳng hạn như các phần lồi hoặc lõm cục bộ trên bề mặt tiếp xúc. Phải đạt được sự cân bằng giữa thiết kế cấu trúc và kích thước của miếng silicon dẫn nhiệt. Nếu quá trình cho phép, bạn nên tránh chọn miếng silicon dẫn nhiệt quá dày. Để dễ vận hành, thường nên sử dụng lớp nền dính-một mặt, với mặt được phủ-chất kết dính được áp dụng cho cấu trúc tản nhiệt. Điều quan trọng là chọn một miếng đệm có tỷ lệ nén tốt để đảm bảo đủ áp lực lên miếng silicon dẫn nhiệt. (Độ dày của tấm silicon dẫn nhiệt phải vượt quá giới hạn trên về mặt lý thuyết của khoảng hở giữa cấu trúc tản nhiệt và nguồn nhiệt, thường là 1 mm-2 mm.) Khi chọn cấu trúc tản nhiệt, vị trí, chiều cao và loại gói của các thành phần cũng cần được xem xét trong quá trình bố trí PCB. Việc bố trí thường xuyên các nguồn nhiệt có thể làm giảm giá thành của kết cấu tản nhiệt.

VI. Cách chọn tấm silicon dẫn nhiệt
Việc lựa chọn độ dẫn nhiệt chủ yếu phụ thuộc vào công suất tiêu thụ của nguồn nhiệt và khả năng tản nhiệt của tản nhiệt hoặc cấu trúc tản nhiệt. Nói chung, các chip có thông số kỹ thuật ở nhiệt độ thấp, độ nhạy nhiệt độ cao hoặc mật độ thông lượng nhiệt cao (thường lớn hơn 0,6 W/cm³ cần tản nhiệt, trong khi những chip có mật độ thông lượng nhiệt bề mặt nhỏ hơn 0,04 W/cm2 chỉ yêu cầu đối lưu tự nhiên) yêu cầu tản nhiệt và nên chọn các tấm silicon dẫn nhiệt có độ dẫn nhiệt cao hơn. Trong ngành điện tử tiêu dùng, nhiệt độ điểm nối chip thường không được phép vượt quá 85 độ C và nên kiểm soát nhiệt độ bề mặt chip dưới 75 độ C trong quá trình thử nghiệm-nhiệt độ cao. Các thành phần của toàn bộ bo mạch chủ yếu là loại thương mại-nên nhiệt độ bên trong hệ thống được khuyến nghị không vượt quá 50 độ C ở nhiệt độ phòng. Bề mặt của bề mặt đầu tiên hoặc bề mặt mà khách hàng cuối có thể tiếp xúc lý tưởng nhất phải có nhiệt độ dưới 45 độ C ở nhiệt độ phòng. Việc chọn tấm silicon dẫn nhiệt có độ dẫn nhiệt cao hơn có thể đáp ứng các yêu cầu thiết kế và cho phép một số biên độ thiết kế.

Lưu ý: Mật độ thông lượng nhiệt: được định nghĩa là: mật độ thông lượng nhiệt trên một đơn vị diện tích (1 mét vuông) trên một đơn vị thời gian (1 Nhiệt độ đường giao nhau (JT) đo lượng nhiệt truyền qua tấm bán dẫn đến vỏ thiết bị đóng gói tính bằng giây. Nhiệt độ này thường cao hơn nhiệt độ vỏ và nhiệt độ bề mặt thiết bị. Nhiệt độ đường giao nhau đo thời gian cần thiết để tản nhiệt từ tấm bán dẫn đến vỏ thiết bị đóng gói, cũng như điện trở nhiệt.

VII. Các yếu tố ảnh hưởng đến độ dẫn nhiệt của silicone dẫn nhiệt

1. Loại và tính chất của vật liệu nền polyme: Vật liệu nền có độ dẫn nhiệt cao hơn, độ phân tán chất độn tốt hơn trong nền và liên kết tốt hơn giữa nền và chất độn dẫn đến độ dẫn nhiệt của vật liệu composite tốt hơn.

2. Loại chất độn: Độ dẫn nhiệt của chất độn cao hơn thường dẫn đến độ dẫn nhiệt của vật liệu composite tốt hơn.

3. Hình dạng của chất độn: Nói chung, thứ tự dễ hình thành các đường dẫn nhiệt là râu > sợi > vảy > hạt. Chất độn càng dễ hình thành các đường dẫn nhiệt thì độ dẫn nhiệt càng tốt.

4. Hàm lượng chất độn Sự phân bố chất độn trong polyme quyết định độ dẫn nhiệt của vật liệu composite. Khi hàm lượng chất độn thấp, hiệu ứng dẫn nhiệt không đáng kể; khi hàm lượng chất độn quá cao thì tính chất cơ học của vật liệu composite bị ảnh hưởng rất lớn. Tuy nhiên, khi hàm lượng chất độn tăng đến một giá trị nhất định, sự tương tác giữa các chất độn sẽ tạo thành một mạng dẫn nhiệt-giống hoặc chuỗi-giống như mạng trong hệ thống. Độ dẫn nhiệt là tối ưu khi hướng của mạng này thẳng hàng với hướng của dòng nhiệt. Do đó, có một giá trị tới hạn đối với lượng chất độn dẫn nhiệt.

5. Đặc tính liên kết giữa vật liệu độn và ma trận Mức độ liên kết giữa chất độn và ma trận càng cao thì độ dẫn nhiệt càng tốt. Sử dụng chất ghép thích hợp để xử lý bề mặt chất độn có thể tăng độ dẫn nhiệt lên 10%–20%.