Tepelné principy a strategie zlepšování materiálů tepelného rozhraní
S vývojem moderních elektronických zařízení směrem k miniaturizaci, vysoké hustotě výkonu a vysoké integraci se problém rozptylu tepla elektronických zařízení stal klíčovým faktorem ovlivňujícím životnost a výkon zařízení, zejména v oblasti 5G. K vyřešení tohoto problému jsou proto zapotřebí lepší řešení tepelného managementu. Obecně řečeno, teplo generované elektronickými zařízeními musí být přeneseno na povrch chladiče a výplňové materiály tepelného rozhraní (TIM) mezi elektronickým zařízením a chladičem mohou maximalizovat kapacitu přenosu tepla.
TIM se skládají hlavně z organických matric a anorganických plniv. Proto bude celková tepelná vodivost TIM určena tepelnou vodivostí polymerů a anorganických plniv, mezifázovým tepelným odporem polymerů a anorganických plniv a mezifázovým tepelným odporem mezi kontaktními plochami anorganických plniv. Tepelná vodivost je určována hlavně elektrony a/nebo fonony a teplo generované čipem je přenášeno do chladiče prostřednictvím Tims, čímž se dosahuje cirkulace systému odvodu tepla a chlazení elektronických zařízení.
Elektronické vedení tepla se vyskytuje hlavně ve vodivých tepelně vodivých materiálech. Když jsou tyto materiály v nevyváženém prostředí, elektrony budou difundovat z vysokých do nízkých teplot, generovat odpovídající proudy a tepelné toky, což vede k elektronickému vedení tepla. V médiích a nevodivých polymerech je vedení tepla obvykle fononovým vedením tepla. Když je jedna strana tohoto typu materiálu zahřátá, mřížka materiálu vibruje a odpovídající vibrace se přenáší na sousední atomy, což má za následek přenos tepelného toku v materiálu. Typicky jsou TIM, se kterými se setkáváme, tohoto typu. Jako součást TIM mají anorganická nekovová plniva relativně pravidelnou mřížkovou distribuci a fonony se mohou šířit ve směru mřížky, často vykazující vynikající tepelnou vodivost; V další důležité složce polymeru jsou polymerní řetězce propleteny a nevedou vysokorychlostní fonony. Tyto fonony jsou vysoce dispergovány na rozhraní polymerního řetězce, což má za následek výrazné snížení toku fononů a snížení tepelné vodivosti. Proto je snížení rozptylu fononů zvláště důležité pro zlepšení tepelné vodivosti.
Konvenční metodou pro konstrukci TIM je použití anorganických plniv s vysokou tepelnou vodivostí. Vzhledem k nízké tepelné vodivosti polymerních polymerů však není celková tepelná vodivost takto konstruovaných TIM často ideální kvůli jejich tepelnému odporu na rozhraní s anorganickými plnivy. Směrem pro zlepšení tepelné vodivosti TIM se proto stalo snížení mezifázového tepelného odporu mezi anorganickými plnivy a polymerem, anorganickými plnivy a anorganickými plnivy a vybudování drah tepelné vodivosti nebo zohlednění obou.
Miniaturizace a vysoký výkon elektronických produktů a zařízení vyžaduje, aby se tepelná vodivost tepelně vodivých materiálů také neustále zlepšovala. Proto jsou vysoká tepelná vodivost, vynikající tixotropie a dobrá stabilita při skladování nejdůležitějším směrem výzkumu a vývoje tepelně vodivých materiálů.
