ทำความเข้าใจเกี่ยวกับแผ่นซิลิโคนนำความร้อนได้ในบทความเดียว

วัสดุนำความร้อนแบบดั้งเดิมส่วนใหญ่ประกอบด้วยโลหะ (Ag, Cu และ Al) และโลหะออกไซด์ (Al₂O₃, MgO และ BeO) รวมถึงวัสดุที่ไม่ใช่{0}}โลหะ (กราไฟต์ คาร์บอนแบล็ก Si₃N₄ และ AlN) มีการกำหนดข้อกำหนดใหม่เกี่ยวกับวัสดุนำความร้อนอันเป็นผลมาจากความก้าวหน้าของการผลิตทางอุตสาหกรรมและวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี มีการสังเกตความต้องการวัสดุที่มีคุณสมบัติครอบคลุมเป็นพิเศษ ในภาคไฟฟ้าและอิเล็กทรอนิกส์ ขนาดของชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์และวงจรลอจิกลดลงหลายพันเท่าอันเป็นผลมาจากการพัฒนาอย่างรวดเร็วของเทคโนโลยีบูรณาการและการประกอบ ดังนั้นจึงจำเป็นต้องใช้วัสดุฉนวนที่มีค่าการนำความร้อนสูง ในช่วงสองสามทศวรรษที่ผ่านมา ขอบเขตการประยุกต์ใช้วัสดุโพลีเมอร์ได้ขยายตัวอย่างต่อเนื่อง การทดแทนวัสดุอุตสาหกรรมแบบดั้งเดิม โดยเฉพาะวัสดุที่เป็นโลหะ ด้วยวัสดุโพลีเมอร์สังเคราะห์เทียม ได้กลายเป็นจุดสนใจของการวิจัยทางวิทยาศาสตร์ระดับโลก I. แผ่นซิลิโคนนำความร้อนคืออะไร

แผ่นซิลิโคนที่นำความร้อนเป็นวัสดุสื่อประเภทหนึ่งที่สังเคราะห์ผ่านกระบวนการเฉพาะ กระบวนการนี้เกี่ยวข้องกับการใช้ซิลิโคนเป็นวัสดุฐานและการเติมวัสดุเสริมหลายชนิด เช่น โลหะออกไซด์ ยางซิลิโคนนำความร้อนเป็นวัสดุคอมโพสิตโพลีเมอร์ที่สามารถนำความร้อนได้โดยการเติมผงนำความร้อนและใช้เรซินออร์กาโนซิลิคอนเป็นสารยึดเกาะ

ครั้งที่สอง วัสดุเมทริกซ์และตัวเติมที่ใช้กันทั่วไปสำหรับแผ่นซิลิโคนนำความร้อน

ออร์กาโนซิลิคอนเรซิน (วัตถุดิบพื้นฐาน)

1. สารตัวเติมที่เป็นฉนวนและเป็นสื่อกระแสไฟฟ้า: อลูมินา, แมกนีเซียมออกไซด์, โบรอนไนไตรด์, อลูมิเนียมไนไตรด์, เบริลเลียมออกไซด์, ควอตซ์ ฯลฯ

2. สารหน่วงไฟ: แมกนีเซียมไฮดรอกไซด์, อลูมิเนียมไฮดรอกไซด์

3. สารให้สีอนินทรีย์ (การแยกสี)

4. ตัวแทนการเชื่อมขวาง (ข้อกำหนดประสิทธิภาพการยึดเกาะ)

5. ตัวเร่งปฏิกิริยา (ข้อกำหนดในการขึ้นรูปกระบวนการ)

หมายเหตุ: แผ่นซิลิโคนนำความร้อนทำหน้าที่นำความร้อน ซึ่งสร้างเส้นทางการนำความร้อนที่ดีระหว่าง{{0}ส่วนประกอบที่สร้างความร้อนกับ-อุปกรณ์กระจายความร้อน เมื่อใช้ร่วมกับแผ่นระบายความร้อน ตัวยึดโครงสร้าง (พัดลม) ฯลฯ จะสร้างโมดูลกระจายความร้อน

ฟิลเลอร์ประกอบด้วยโลหะและฟิลเลอร์อนินทรีย์ดังต่อไปนี้:

1. สารตัวเติมผงโลหะ: ผงทองแดง, ผงอลูมิเนียม, ผงเหล็ก, ผงดีบุก, ผงนิกเกิล ฯลฯ

2. โลหะออกไซด์: อลูมิเนียมออกไซด์, บิสมัทออกไซด์, เบริลเลียมออกไซด์, แมกนีเซียมออกไซด์, ซิงค์ออกไซด์;

3. โลหะ... ไนไตรด์: อลูมิเนียมไนไตรด์, โบรอนไนไตรด์, ซิลิคอนไนไตรด์;

4. โลหะอนินทรีย์-: กราไฟต์ ซิลิคอนคาร์ไบด์ คาร์บอนไฟเบอร์ ท่อนาโนคาร์บอน กราฟีน เบริลเลียมคาร์ไบด์ ฯลฯ

ภาพที่ 3 การจำแนกประเภทของปะเก็นซิลิโคนนำความร้อน
ปะเก็นซิลิโคนนำความร้อนสามารถแบ่งออกเป็น: แผ่นซิลิโคนนำความร้อนและแผ่นซิลิโคนที่ไม่ใช่-ซิลิโคน คุณสมบัติของฉนวนไฟฟ้าของปะเก็นซิลิโคนนำความร้อนส่วนใหญ่จะถูกกำหนดโดยคุณสมบัติฉนวนของอนุภาคตัวเติมในที่สุด

1. แผ่นซิลิโคนนำความร้อน
แผ่นซิลิโคนนำความร้อนยังแบ่งออกเป็นประเภทย่อยอีกหลายประเภท โดยแต่ละประเภทจะมีลักษณะเฉพาะที่แตกต่างกันไป

2. แผ่นซิลิโคนที่ไม่ใช่-แผ่นซิลิโคนที่ไม่ใช่- แผ่นซิลิโคนที่ไม่ใช่-เป็นวัสดุที่มีการนำความร้อนสูง มีกาวสองหน้า-หน้าเดียว- เมื่อใช้ในการประกอบชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์ จะมีความต้านทานความร้อนต่ำและมีคุณสมบัติเป็นฉนวนไฟฟ้าที่ดีภายใต้แรงอัดต่ำ ทำงานได้อย่างเสถียรตั้งแต่ -40 องศาถึง 150 องศา และเป็นไปตามระดับการหน่วงไฟ UL94V0

IV. กลไกการนำความร้อนของซิลิโคนนำความร้อน

ค่าการนำความร้อนของซิลิโคนนำความร้อนขึ้นอยู่กับอันตรกิริยาระหว่างโพลีเมอร์กับตัวเติมนำความร้อน ฟิลเลอร์ประเภทต่างๆ มีกลไกการนำความร้อนที่แตกต่างกัน

1. กลไกการนำความร้อนของตัวเติมโลหะ
สารตัวเติมโลหะนำความร้อนผ่านการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนเป็นหลัก กระบวนการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนจะมาพร้อมกับการถ่ายเทความร้อน

2. กลไกการนำความร้อนของตัวเติมที่ไม่ใช่-โลหะ
สารตัวเติมที่ไม่ใช่โลหะ-อาศัยการนำโฟนอนเป็นหลัก อัตราการแพร่กระจายความร้อนส่วนใหญ่ขึ้นอยู่กับการสั่นสะเทือนของอะตอมหรือกลุ่มพันธะที่อยู่ใกล้เคียง ซึ่งรวมถึงโลหะออกไซด์ โลหะไนไตรด์ และคาร์ไบด์

V. วิธีใช้แผ่นซิลิโคนนำความร้อน

โดยทั่วไป แผ่นซิลิโคนนำความร้อนควรรวมอยู่ในการออกแบบโครงสร้าง ฮาร์ดแวร์ และวงจรตั้งแต่ขั้นตอนการออกแบบเริ่มแรก โดยทั่วไปปัจจัยที่ต้องพิจารณา ได้แก่ การนำความร้อน การออกแบบโครงสร้าง EMC การลดแรงสั่นสะเทือนและการดูดซับเสียง และการติดตั้งและการทดสอบ

1. การเลือกโซลูชันการกระจายความร้อน: ผลิตภัณฑ์อิเล็กทรอนิกส์มีแนวโน้มไปที่การออกแบบที่เล็กกว่า บางกว่า และเบากว่า โดยทั่วไปจะใช้วิธีระบายความร้อนแบบพาสซีฟ ซึ่งแต่เดิมจะใช้แผงระบายความร้อน แนวโน้มในปัจจุบันคือการกำจัดแผงระบายความร้อนโดยสิ้นเชิง โดยใช้ส่วนประกอบการกระจายความร้อนที่มีโครงสร้าง (ตัวยึดโลหะ ปลอกโลหะ) หรือการรวมโซลูชันการระบายความร้อนเข้ากับส่วนประกอบการกระจายความร้อนที่มีโครงสร้าง ควรเลือกโซลูชันที่มีอัตราส่วนต้นทุนประสิทธิภาพที่ดีที่สุด-ตามความต้องการของระบบและสภาพแวดล้อมที่แตกต่างกัน

2. หากใช้โซลูชันแผงระบายความร้อน ไม่แนะนำให้ใช้เทปสองหน้านำความร้อน-ที่มีค่าการนำความร้อนต่ำ และไม่แนะนำให้ใช้จาระบีระบายความร้อนโดยไม่มีความสามารถในการลดแรงสั่นสะเทือน ขอแนะนำให้ใช้ตะขอโลหะหรือหมุดพลาสติกในการทำงาน โดยเลือก 0.5 มม.... การใช้แผ่นซิลิโคนนำความร้อนที่หนาขึ้นร่วมกับวิธีอื่นช่วยให้ติดตั้งได้สะดวกและไม่จำเป็นต้องใช้แผ่นรองหลังด้วยกาว ส่งผลให้สามารถกระจายความร้อนได้ดีกว่าเทปนำความร้อนสองหน้า-อย่างมาก อีกทั้งยังปลอดภัยและเชื่อถือได้มากกว่า ต้นทุนโดยรวม รวมถึงราคาต่อหน่วย ค่าแรง และอุปกรณ์ มีการแข่งขันสูงกว่า

3. เมื่อเลือกโครงสร้างการกระจายความร้อน จำเป็นต้องพิจารณารูปแบบโครงสร้างของโครงสร้างการกระจายความร้อน เช่น การยื่นออกมาหรือส่วนเว้าเฉพาะที่บนพื้นผิวสัมผัส ต้องมีความสมดุลระหว่างการออกแบบโครงสร้างและขนาดของแผ่นซิลิโคนนำความร้อน หากกระบวนการนี้อนุญาต แนะนำให้หลีกเลี่ยงการเลือกแผ่นซิลิโคนนำความร้อนที่มีความหนามากเกินไป เพื่อความสะดวกในการใช้งาน โดยทั่วไปแนะนำให้ใช้แผ่นรองหลังแบบมีกาวหน้าเดียว- โดยให้ด้านที่เคลือบด้วยกาว-ติดไว้กับโครงสร้างการกระจายความร้อน สิ่งสำคัญคือต้องเลือกแผ่นที่มีอัตราส่วนการอัดที่ดีเพื่อให้แน่ใจว่ามีแรงกดที่เพียงพอบนแผ่นซิลิโคนนำความร้อน (ความหนาของแผ่นซิลิโคนนำความร้อนต้องเกินขีดจำกัดบนตามทฤษฎีของระยะห่างระหว่างโครงสร้างการกระจายความร้อนและแหล่งความร้อน โดยทั่วไปคือ 1 มม.-2 มม.) เมื่อเลือกโครงสร้างการกระจายความร้อน ควรพิจารณาตำแหน่ง ความสูง และประเภทบรรจุภัณฑ์ของส่วนประกอบระหว่างโครงร่าง PCB การวางแหล่งความร้อนเป็นประจำสามารถลดต้นทุนของโครงสร้างการกระจายความร้อนได้

วี. วิธีการเลือกแผ่นซิลิโคนนำความร้อน
การเลือกการนำความร้อนขึ้นอยู่กับการใช้พลังงานของแหล่งความร้อนและความสามารถในการกระจายความร้อนของแผงระบายความร้อนหรือโครงสร้างการกระจายความร้อนเป็นหลัก โดยทั่วไป ชิปที่มีข้อกำหนดด้านอุณหภูมิต่ำ ความไวต่ออุณหภูมิสูง หรือมีความหนาแน่นของฟลักซ์ความร้อนสูง (โดยทั่วไปมากกว่า 0.6 W/cm³ ต้องมีการกระจายความร้อน ในขณะที่ชิปที่มีความหนาแน่นของฟลักซ์ความร้อนที่พื้นผิวน้อยกว่า 0.04 W/cm² ต้องการการพาความร้อนตามธรรมชาติเท่านั้น) จำเป็นต้องมีการกระจายความร้อน และควรเลือกแผ่นซิลิโคนนำความร้อนที่มีค่าการนำความร้อนสูงกว่า ในอุตสาหกรรมอิเล็กทรอนิกส์สำหรับผู้บริโภค อุณหภูมิจุดเชื่อมต่อชิปโดยทั่วไปไม่ได้รับอนุญาตให้เกิน 85 องศาเซลเซียส และแนะนำให้ควบคุมอุณหภูมิพื้นผิวชิปให้ต่ำกว่า 75 องศาเซลเซียส ในระหว่างการทดสอบที่อุณหภูมิสูง- ส่วนประกอบของบอร์ดทั้งหมดส่วนใหญ่เป็นเกรดเชิงพาณิชย์- ดังนั้นอุณหภูมิภายในระบบจึงแนะนำว่าไม่ควรเกิน 50 องศาเซลเซียสที่อุณหภูมิห้อง พื้นผิวของพื้นผิวแรกหรือพื้นผิวที่ลูกค้าสามารถติดต่อได้ควรมีอุณหภูมิต่ำกว่า 45 องศาเซลเซียสที่อุณหภูมิห้อง การเลือกแผ่นซิลิโคนนำความร้อนที่มีค่าการนำความร้อนสูงกว่าสามารถตอบสนองความต้องการด้านการออกแบบและเผื่อระยะขอบในการออกแบบไว้บ้าง

หมายเหตุ: ความหนาแน่นฟลักซ์ความร้อน: หมายถึง: ความหนาแน่นของฟลักซ์ความร้อนต่อหน่วยพื้นที่ (1 ตารางเมตร) ต่อหน่วยเวลา (1 อุณหภูมิจุดเชื่อมต่อ (JT) วัดปริมาณความร้อนที่ผ่านแผ่นเวเฟอร์เซมิคอนดักเตอร์ไปยังตัวเครื่องในบรรจุภัณฑ์ในหน่วยวินาที โดยทั่วไปจะสูงกว่าอุณหภูมิเคสและอุณหภูมิพื้นผิวของอุปกรณ์ อุณหภูมิของจุดเชื่อมต่อจะวัดเวลาที่ต้องใช้ในการกระจายความร้อนจากเวเฟอร์เซมิคอนดักเตอร์ไปยังตัวเครื่องในบรรจุภัณฑ์ เช่นเดียวกับความต้านทานความร้อน

ปกเกล้าเจ้าอยู่หัว ปัจจัยที่ส่งผลต่อการนำความร้อนของซิลิโคนนำความร้อน

1. ประเภทและคุณสมบัติของวัสดุเมทริกซ์โพลีเมอร์: วัสดุเมทริกซ์การนำความร้อนที่สูงขึ้น การกระจายตัวของฟิลเลอร์ที่ดีขึ้นในเมทริกซ์ และพันธะที่ดีขึ้นระหว่างเมทริกซ์กับฟิลเลอร์ ส่งผลให้ค่าการนำความร้อนดีขึ้นของวัสดุคอมโพสิต

2. ประเภทของตัวเติม: โดยทั่วไปการนำความร้อนของตัวเติมที่สูงขึ้นจะทำให้ค่าการนำความร้อนของวัสดุคอมโพสิตดีขึ้น

3. รูปร่างของฟิลเลอร์: โดยทั่วไป ลำดับของความง่ายในการสร้างวิถีทางความร้อนคือ หนวด > เส้นใย > เกล็ด > แกรนูล ยิ่งฟิลเลอร์สร้างวิถีทางความร้อนได้ง่ายกว่า การนำความร้อนก็จะยิ่งดีขึ้นเท่านั้น

4. ปริมาณสารตัวเติม การกระจายตัวของสารตัวเติมภายในพอลิเมอร์เป็นตัวกำหนดค่าการนำความร้อนของวัสดุคอมโพสิต เมื่อปริมาณสารตัวเติมต่ำ ผลการนำความร้อนไม่มีนัยสำคัญ เมื่อปริมาณสารตัวเติมมากเกินไป คุณสมบัติทางกลของวัสดุคอมโพสิตจะได้รับผลกระทบอย่างมาก อย่างไรก็ตาม เมื่อปริมาณสารตัวเติมเพิ่มขึ้นจนถึงค่าที่กำหนด ปฏิกิริยาระหว่างสารตัวเติมจะก่อตัวเป็นเครือข่าย-เหมือนหรือลูกโซ่-เหมือนเครือข่ายนำความร้อนในระบบ ค่าการนำความร้อนจะเหมาะสมที่สุดเมื่อทิศทางของเครือข่ายนี้สอดคล้องกับทิศทางการไหลของความร้อน ดังนั้นจึงมีค่าวิกฤตสำหรับปริมาณของตัวเติมนำความร้อน

5. ลักษณะการยึดเกาะระหว่างวัสดุตัวเติมและเมทริกซ์ ยิ่งระดับการยึดเกาะระหว่างตัวตัวเติมและเมทริกซ์สูงเท่าไร ค่าการนำความร้อนก็จะยิ่งดีขึ้นเท่านั้น การใช้สารเชื่อมต่อที่เหมาะสมเพื่อรักษาพื้นผิวของฟิลเลอร์สามารถเพิ่มค่าการนำความร้อนได้ 10%–20%