Informații utile|Cunoștințe de bază despre siliconul termoconductiv

I. Ce sunt foile de silicon termoconductoare?

Foile de silicon conductoare termic sunt un tip de material mediu conductiv termic sintetizat printr-un proces special, folosind siliconul ca material de bază și adăugând diverse materiale auxiliare, cum ar fi oxizii metalici. Cauciucul siliconic conductiv termic este un material compozit polimeric care folosește rășină organosilicioasă ca liant și se umple cu pulbere conductoare termic pentru a obține conductivitatea termică.

II. Materiale matrice și materiale de umplutură utilizate în mod obișnuit pentru foile de silicon termoconductoare

Rășină organosilicioasă (materia primă de bază)

1. Umpluturi izolatoare și conductoare termic: alumină, oxid de magneziu, nitrură de bor, nitrură de aluminiu, oxid de beriliu, cuarț etc. și plastifianți organosilici.

2. Ignifugă: hidroxid de magneziu, hidroxid de aluminiu

3. Coloranți anorganici (diferențierea culorilor)

4. Agenți de reticulare (cerințe de performanță de aderență)

5. Catalizatori (cerințe de turnare a procesului)

Notă: foile de silicon conductoare termic funcționează ca conductori de căldură, formând o cale bună de conducție termică între elementul-generator de căldură și dispozitivul-de disipare a căldurii. Împreună cu radiatoarele, elementele de fixare structurale (ventilatoare), etc., formează un modul de disipare a căldurii.

Materialele de umplutură includ următoarele materiale de umplutură metalice și anorganice:

1. Umpluturi cu pulbere metalică: pulbere de cupru, pulbere de aluminiu, pulbere de fier, pulbere de staniu, pulbere de nichel etc.

2. Oxizi metalici: oxid de aluminiu, oxid de bismut, oxid de beriliu, oxid de magneziu, oxid de zinc;

3. Nitruri metalice: nitrură de aluminiu, nitrură de bor, nitrură de siliciu;

4. Ne-metale anorganice: grafit, carbură de siliciu, fibră de carbon, nanotuburi de carbon, grafen, carbură de beriliu etc.

III. Clasificarea garniturilor din silicon termoconductoare
Garniturile din silicon conductoare termic pot fi împărțite în: plăcuțe din silicon conductoare termic și plăcuțe din silicon fără-silicon. Proprietățile de izolare electrică ale majorității garniturilor de silicon conductoare termic sunt determinate în cele din urmă de proprietățile de izolație ale particulelor de umplutură.

1. Tampoane din silicon termoconductoare
Tampoanele din silicon conductoare termic sunt împărțite în mai multe subcategorii, fiecare având propriile sale caracteristici unice.

2. Tampoane din silicon fără-silicon

Tampoanele din silicon fără-silicon sunt un material cu conductivitate termică ridicată, auto--dublu-adeziv, care prezintă rezistență termică scăzută și proprietăți bune de izolare electrică sub forță de compresie scăzută în timpul asamblării componentelor electronice. Funcționare stabilă între -40 și 150 de grade. Îndeplinește cerințele de rating UL94V0 pentru ignifugare.

IV. Mecanismul de conductivitate termică a foilor de silicon termoconductoare

Conductivitatea termică a foilor de silicon termoconductoare depinde de interacțiunea dintre polimer și materialul de umplutură conductiv termic. Diferite tipuri de umpluturi au mecanisme diferite de conductivitate termică.

1. Mecanismul de conductivitate termică a materialelor de umplutură metalice
Materialele de umplutură metalice conduc căldura în primul rând prin mișcarea electronilor, care este însoțită de transfer de căldură.

2. Mecanismul de conductivitate termică a materialelor de umplutură ne-metalice
Materialele de umplutură ne-metalice conduc în principal căldura prin fononi, iar viteza lor de difuzie a căldurii depinde în principal de vibrația atomilor învecinați sau a grupurilor de legătură. Aceasta include oxizi de metal, nitruri de metal și carburi.

V. Cum să utilizați foile de silicon termoconductoare
În general, foile de silicon conductoare termic ar trebui să fie încorporate în proiectarea structurală, hardware și circuitelor încă din etapa inițială de proiectare. Considerațiile includ de obicei: conductivitatea termică, proiectarea structurală, EMC, amortizarea vibrațiilor și absorbția sunetului și testarea instalării.

1. Alegerea unei soluții de disipare a căldurii: Produsele electronice tind spre modele mai mici, mai subțiri și mai ușoare, utilizând în general metode pasive de răcire, bazate în mod tradițional pe radiatoare. Tendința actuală este eliminarea totală a radiatoarelor, folosind componente structurale de disipare a căldurii (console metalice, carcase metalice); sau o combinație de radiator și componente structurale de disipare a căldurii. Alegeți soluția cu cel mai bun raport cost-performanță pentru diferite cerințe de sistem și medii.

2. Dacă utilizați o soluție de radiator, nu este recomandat să utilizați adeziv cu două-fațe cu conductivitate termică scăzută; nici nu se recomanda folosirea vasoarei termice fara absorbtie a socurilor. Se recomandă utilizarea cârligelor metalice sau a știfturilor din plastic pentru funcționare, folosind un tampon de silicon termoconductiv de 0,5 mm grosime. Aceste două metode sunt convenabile de instalat și de utilizat, pot elimina nevoia de adeziv și oferă o disipare semnificativ mai bună a căldurii decât adezivul cu două-fețe, fiind în același timp mai sigur și mai fiabil. Costul total, inclusiv prețul unitar, forța de muncă și echipamentul, va fi mai competitiv.

3. Atunci când alegeți o componentă structurală de disipare a căldurii, este necesar să se ia în considerare forma structurală a componentei de disipare a căldurii, cum ar fi proeminențele locale sau adânciturile de pe suprafața de contact și să se atingă un echilibru între procesul structural și dimensiunea plăcuței de silicon termoconductoare. Daca procesul o permite, se recomanda evitarea alegerii unor tampoane din silicon conductoare termic excesiv de groase. Pentru ușurință în operare, se recomandă, în general, să utilizați adeziv cu o singură față, atașând partea acoperită cu adeziv-la structura de disipare a căldurii. Este esențial să selectați un tampon de silicon termoconductiv cu un raport de compresie bun pentru a asigura o presiune suficientă pe tampon. (Grosimea plăcuței de silicon termoconductoare trebuie să fie mai mare decât toleranța teoretică limită superioară a decalajului dintre structura de disipare a căldurii și sursa de căldură, în general 1 mm-2 mm mai mult este acceptabil.) Atunci când selectați o structură de disipare a căldurii, poziția, înălțimea și tipul de pachet al componentelor trebuie luate în considerare și în timpul amenajării PCB. Acest lucru permite amplasarea mai organizată a surselor de căldură și reduce costul structurii de disipare a căldurii.

VI. Cum să alegi un tampon de silicon termoconductiv

Selectarea conductibilității termice
Selectarea conductibilității termice depinde în primul rând de consumul de energie al sursei de căldură și de capacitatea de disipare a căldurii a radiatorului sau a structurii de disipare a căldurii. În general, cipurile cu specificații de temperatură relativ scăzută, sensibilitate la temperatură ridicată sau densitate mare a fluxului de căldură (în general mai mare de 0,6 w/cm³ care necesită un tratament de disipare a căldurii; cele cu o densitate a fluxului de căldură la suprafață mai mică de 0,04 w/cm² necesită doar convecție naturală) necesită tratament de disipare a căldurii, iar plăcuțele de silicon conductoare termic trebuie să fie selectate cu conductivitate termică mai mare. În industria electronică de larg consum, temperaturile joncțiunii cipului nu sunt, în general, permise să depășească 85 de grade Celsius și se recomandă controlul temperaturii suprafeței cipului sub 75 de grade Celsius în timpul testării la temperatură înaltă-. Componentele utilizate în întreaga placă sunt în primul rând de calitate comercială-, așa că se recomandă ca temperatura internă a sistemului să nu depășească 50 de grade Celsius la temperatura camerei. Suprafața primei suprafețe exterioare, sau suprafața pe care clientul final o poate contacta, ar trebui să aibă în mod ideal o temperatură sub 45 de grade Celsius la temperatura camerei. Alegerea plăcuțelor din silicon conductoare termic cu conductivitate termică ridicată poate îndeplini cerințele de proiectare și poate permite o anumită marjă de proiectare.

Notă: densitatea fluxului de căldură: definită ca cantitatea de căldură care trece printr-o unitate de suprafață (1 metru pătrat) de secțiune transversală-per unitate de timp (1 secundă). Temperatura joncțiunii este de obicei mai mare decât temperatura carcasei și temperatura suprafeței dispozitivului. Temperatura joncțiunii măsoară timpul necesar pentru disiparea căldurii de la placa semiconductoare către carcasa dispozitivului ambalat, precum și rezistența termică.

VII. Factori care afectează conductivitatea termică a plăcuțelor din silicon termoconductoare

1. Tipul și caracteristicile materialului matricei polimerice: Cu cât conductivitatea termică a materialului matricei este mai mare, cu atât este mai bună dispersia materialului de umplutură în matrice și cu cât legătura dintre matrice și material de umplutură este mai bună, cu atât conductivitatea termică a materialului compozit este mai bună.

2. Tipuri de materiale de umplutură: o conductivitate termică mai mare a materialelor de umplutură are ca rezultat, în general, o conductivitate termică mai bună a materialului compozit.

3. Forma materialelor de umplutură: în general, ordinea ușurinței formării căilor de conducție termică este mustăți > fibre > fulgi > granule. Cu cât materialele de umplutură formează mai ușor căi de conducție termică, cu atât conductivitatea termică este mai bună.

4. Conținutul de umplutură: Distribuția materialelor de umplutură în polimer determină conductivitatea termică a materialului compozit. Conținutul scăzut de umplutură are ca rezultat o conductivitate termică minimă; conținutul excesiv de umplutură are un impact semnificativ asupra proprietăților mecanice ale compozitului. Când conținutul de umplutură crește până la o anumită valoare, interacțiunea dintre umpluturi formează o rețea-ca sau în lanț-conductivă termic în cadrul sistemului. Conductivitatea termică este optimă atunci când direcția acestei rețele se aliniază cu direcția fluxului de căldură. Prin urmare, există o valoare critică pentru cantitatea de umplutură conductoare termic.

5. Caracteristici de legare între materiale de umplutură și materialul matricei: O legătură mai mare între material de umplutură și matrice are ca rezultat o conductivitate termică mai bună. Utilizarea agenților de cuplare adecvați pentru tratarea suprafeței umpluturii poate crește conductivitatea termică cu 10%-20%.