Как добиться идеального сочетания высокой теплопроводности, гибкости и высокого отскока термопрокладок?

Быстрое развитие информационных технологий ускорило наступление интеллектуальной эры, и различные электронные продукты в качестве носителей постоянно обновляются и заменяются. Тенденция развития высокой мощности, высокой степени интеграции и миниатюризации сделала проблемы рассеивания тепла и надежности все более сложными и постепенно стали узкими местами в разработке электронных продуктов. Благодаря управлению температурным режимом мощные системы или оборудование могут эффективно контролировать и управлять выделяемым теплом, обеспечивая работу системного оборудования на приемлемом уровне температуры, что в конечном итоге гарантирует надежность, производительность и срок службы системы.

Материал термоинтерфейса (TIM) — это материал, используемый для улучшения теплопередачи между двумя поверхностями, обычно источником тепла (например, компьютерным процессором) и радиатором (например, металлическим радиатором или другой системой охлаждения).

О ТИМ

Термическое сопротивление интерфейса является одним из важных исследований в области тепловыделения, которое определяет способность рассеивания тепла полупроводниковых чипов, электронных продуктов, мобильных телефонов, автомобильных аккумуляторов и т. д., тем самым влияя на их производительность и стабильность. Воздух является типичным плохим проводником тепла, и на микроскопической твердой поверхности в месте контакта интерфейса имеется множество межфазных зазоров. Из-за присутствия воздуха эффективность отвода тепла очень низкая.

Если воздух эффективно удаляется, чтобы сделать контакт между устройством и радиатором более тесным, тепловое сопротивление контакта интерфейса может быть уменьшено и может быть создан эффективный канал теплопередачи, тем самым максимизируя эффективность рассеивания тепла. TIM — это продукт, который проводит тепло между двумя или более твердыми поверхностями. Заполнение TIM между различными конструкциями на пути рассеивания тепла может эффективно разряжать воздух между зазорами, ускорять передачу тепла в горячих точках за счет увеличения площади контакта, эффективно улучшать теплообмен между двумя поверхностями и повышать эффективность управления температурой. система.

ТИМ обычно представляет собой теплоотводящий материал, изготовленный из полимерных материалов в качестве матрицы и наполненный теплопроводящими частицами. Поскольку размер чипов уменьшается, интеграция и плотность мощности продолжают увеличиваться, тепло, выделяемое во время работы чипа, увеличивается, что приводит к постоянному повышению температуры чипа, что серьезно влияет на производительность, надежность и срок службы конечных электронных компонентов. Материал термоинтерфейса должен иметь высокую теплопроводность и высокую гибкость, чтобы гарантировать, что он может полностью заполнять зазоры на контактной поверхности в условиях низкого давления установки, гарантируя, что контактное тепловое сопротивление между материалом термоинтерфейса и контактной поверхностью будет очень небольшим. , обеспечивая при этом изоляцию и нетоксичность. Теплопроводящие наполнители делятся на три категории: металлические, керамические и углеродные материалы, а матричные материалы в основном представляют собой силиконовое масло, резину и смолы. Обычные теплопроводящие интерфейсные материалы включают теплопроводную силиконовую смазку, теплопроводящий гель, теплопроводящую прокладку, материалы с фазовым переходом и т. д.

В настоящее время основными направлениями исследований, вероятно, являются многофункциональные теплопроводные материалы с ориентированной структурой и теплопроводные материалы без кремниевой системы. Многофункциональность теплопроводящих материалов в основном относится к добавлению других функций или более высоких требований к характеристикам, отличным от теплопроводности, при условии наличия теплопроводности. Целью многофункциональности является главным образом удовлетворение потребностей различных сценариев теплопроводности, достижение функциональной интеграции, оптимизация структуры устройства и дальнейшее повышение комплексной производительности при одновременном рассеивании тепла.

Например, одним из традиционных методов улучшения теплопроводности подложки является увеличение содержания наполнителей, поскольку она обладает высокой теплопроводностью, высоким отскоком и гибкостью. Традиционные металлические и керамические теплопроводящие наполнители обладают высокой механической прочностью, и увеличение их содержания может привести к снижению гибкости и эластичности матрицы, ограничивая технологичность и применение материала в некоторых особых сценариях. Поэтому разработка термоинтерфейсных материалов с высокой теплопроводностью, гибкостью и высокой устойчивостью стала одним из ключевых направлений разработок. Так как же отрасль решает эту проблему?

Неужели невозможно сбалансировать высокую теплопроводность, высокий отскок и твердость по Шору ТИМа?

Как известно, основная проблема надежности электронных изделий связана с коэффициентом теплового расширения (КТР), который обычно называют «тепловым расширением и сжатием». КТР является характеристикой самого материала, и из-за несоответствия КТР электронных устройств деформация изгиба возникает при повышении или понижении рабочей температуры, как показано на следующем рисунке:

Со временем повторяющаяся деформация и сжатие материала термоинтерфейса между зазорами может привести к появлению зазоров, тем самым влияя на эффект рассеивания тепла. А многие мощные устройства в ответ на такие требования, как «энергосбережение и сокращение выбросов» и «углеродная нейтральность», активируют приливный режим, что означает, что в периоды пикового спроса питание будет полностью включено, а во время низкого В периоды спроса, например, с поздней ночи до раннего утра, мощность системы будет снижена или отключена, что эквивалентно ежедневному циклическому старению заготовки. Это, несомненно, усугубляет воздействие CTE.

В электронной промышленности на протяжении десятилетий используются традиционные теплопроводящие прокладки на основе кремния, которые в основном состоят из кремнийорганической смолы и различных типов теплопроводящих наполнителей. Естественной характеристикой этого состава является то, что сам готовый продукт вообще не имеет характеристик отскока при сжатии. После длительного сжатия чипов и модулей рассеивания тепла на микроскопическом уровне в сочетании с воздействием суровых условий работы,

особенно высокие температуры, на теле материала со временем на определенной контактной поверхности постепенно появляется необратимое отслоение интерфейса «Расслоение», что приводит к значительному увеличению термического сопротивления интерфейса и невозможности дальнейшего обеспечения хорошего пути теплопроводности, в конечном итоге приводит к термическому выходу из строя чипа или даже всей машины.

В ответ на такие проблемы промышленность постепенно обращает внимание на теплопроводные материалы с высокими характеристиками отскока. Однако, как уже говорилось ранее, на традиционном пути развития теплопроводных материалов характеристики отскока материала сдерживаются следующими факторами, становясь непреодолимым препятствием:

Благодаря развитию свойств сырья и совершенствованию методов испытаний многие производители теплопроводящих материалов в последние годы смогли эффективно контролировать твердость термопрокладок, тем самым удовлетворяя различные сценарии применения теплоотвода для клиентов. Однако в диапазоне твердости по Шору 00 перед всей отраслью стоит задача создания термоинтерфейсных материалов с высокими характеристиками отскока, особенно в сценариях со сверхвысокой теплопроводностью. За счет увеличения содержания теплопроводящего порошка «порошковые характеристики» материала очевидны. Чтобы достичь баланса между теплопроводностью, отскоком и твердостью по Шору 00, он превратился почти в «невозможный треугольник».

Прокладки со сверхвысокой теплопроводностью из-за необходимости достаточно высокой «нагрузки» наполнителей по теплопроводности могут вызвать быстрое ухудшение механических свойств (мягкости и упругости) материала при длительной эксплуатации в суровых условиях, делая его неспособны удовлетворить долгосрочные требования надежности.