Termiske principper og forbedringsstrategier for termiske grænsefladematerialer
Med udviklingen af moderne elektroniske enheder hen imod miniaturisering, høj effekttæthed og høj integration er varmeafledningsproblemet for elektroniske enheder blevet en nøglefaktor, der påvirker enheders levetid og ydeevne, især inden for 5G-området. Derfor er der behov for bedre varmestyringsløsninger for at løse dette problem. Generelt skal den varme, der genereres af elektroniske enheder, overføres til overfladen af kølepladen, og påfyldning af termiske grænsefladematerialer (TIM'er) mellem den elektroniske enhed og kølepladen kan maksimere varmeoverførselskapaciteten.
TIM'er er hovedsageligt sammensat af organiske matricer og uorganiske fyldstoffer. Derfor vil den overordnede termiske ledningsevne af TIM'er blive bestemt af den termiske ledningsevne af polymerer og uorganiske fyldstoffer, den grænseflade termiske modstand af polymerer og uorganiske fyldstoffer, og den grænseflade termiske modstand mellem kontaktflader af uorganiske fyldstoffer. Den termiske ledningsevne bestemmes hovedsageligt af elektroner eller/og fononer, og den varme, der genereres af chippen, overføres til kølepladen gennem Tims, hvorved der opnås cirkulation af varmeafledningssystemet og afkøling af elektroniske enheder.
Elektronisk varmeledning forekommer hovedsageligt i ledende varmeledende materialer. Når disse materialer er i et ubalanceret miljø, vil elektroner diffundere fra høje til lave temperaturer, hvilket genererer tilsvarende strømme og varmestrømme, hvilket resulterer i elektronisk varmeledning. I medier og ikke-ledende polymerer er varmeledning sædvanligvis fonon varmeledning. Når den ene side af denne type materiale opvarmes, vibrerer materialets gitter, og den tilsvarende vibration overføres til tilstødende atomer, hvilket resulterer i overførsel af varmestrøm i materialet. Typisk er TIM'er, vi støder på, af denne type. Som en komponent af TIM'er har uorganiske ikke-metalliske fyldstoffer en relativt regelmæssig gitterfordeling, og fononer kan forplante sig langs gitterretningen og udviser ofte fremragende termisk ledningsevne; I en anden vigtig komponent af polymer er polymerkæder sammenflettet og leder ikke højhastighedsfononer. Disse fononer er stærkt spredte ved polymerkædegrænsefladen, hvilket resulterer i en signifikant reduktion i fononflow og et fald i termisk ledningsevne. Derfor er reduktion af spredningen af fononer særlig vigtig for at forbedre termisk ledningsevne.
Den konventionelle metode til at konstruere TIM'er er at bruge uorganiske fyldstoffer med høj varmeledningsevne. På grund af polymerpolymerers lave termiske ledningsevne er den samlede termiske ledningsevne af TIM'er konstrueret på denne måde imidlertid ofte ikke ideel på grund af deres grænseflade termiske modstand med uorganiske fyldstoffer. Derfor er reduktion af grænsefladens termiske modstand mellem uorganiske fyldstoffer og polymer, uorganiske fyldstoffer og uorganiske fyldstoffer og konstruktion af termiske ledningsevneveje, eller at tage hensyn til begge dele, blevet retningen for at forbedre den termiske ledningsevne af TIM'er.
Miniaturiseringen og den høje effekt af elektroniske produkter og udstyr kræver, at den termiske ledningsevne af varmeledende materialer også konstant forbedres. Derfor er høj termisk ledningsevne, fremragende thixotropi og god opbevaringsstabilitet den vigtigste forsknings- og udviklingsretning for termiske ledende materialer.
