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Portuguese Con el desarrollo de productos electrónicos hacia la miniaturización, multifuncionalidad y alto rendimiento, surgió la tecnología de integración de sistemas tridimensionales de alta densidad. La integración tridimensional de sistemas logra una alta eficiencia de ensamblaje, velocidad rápida de transmisión de señales y mejor confiabilidad del sistema. Con estas ventajas, debido al enorme consumo de energía, también conducirá a un aumento del calor por unidad de área del sustrato, y se presta cada vez más atención a la disipación de calor. Esto plantea requisitos de mayor rendimiento para los materiales de disipación de calor de las interfaces térmicas. A través del diseño de disipación de calor, el calor acumulado en la interfaz térmica del producto electrónico se exporta a tiempo para mantener la temperatura de trabajo dentro del rango de diseño razonable, a fin de garantizar la estabilidad del sistema y la confiabilidad del producto. La conductividad térmica se utiliza para describir la conductividad térmica de un material. Cuanto mayor sea la conductividad térmica, mayor será la conductividad térmica del material. Por lo tanto, el requisito básico de los materiales de disipadores de calor de alto rendimiento es que la conductividad térmica sea lo suficientemente alta.
Las características clave de las juntas conductoras de calor de alto rendimiento de caucho de silicona generalmente deben cumplir con los requisitos de alta conductividad térmica, buena confiabilidad del producto, buena adhesión, uso conveniente, amortiguación y reducción de ruido, protección ambiental verde, etc. Además de la conductividad térmica básica, el cliente también prestará atención a la deformación por compresión, el cambio de resistencia térmica, la presión instantánea y la presión a largo plazo de la junta conductora de calor; Para productos delgados, también prestaremos atención al rendimiento operativo del producto, principalmente el tamaño de la fuerza de desprendimiento, etc.
Debido a que la junta conductora de calor solo se utiliza para llenar el espacio, el estrés es muy pequeño, por lo que las propiedades mecánicas generalmente no son altas, por lo que el producto se utiliza ampliamente. Con la mejora continua de los requisitos de rendimiento de los productos electrónicos, los requisitos para juntas conductoras de calor son cada vez más altos. Las juntas conductoras de calor se actualizarán continuamente. Se han realizado muchas exploraciones, pero la conductividad térmica está mayormente por debajo de 3.0 W/(m·K), la fórmula es incierta, lo que está seriamente divorciado de la aplicación real del producto, especialmente la investigación sobre confiabilidad es menor. En este experimento, se utiliza aceite de silicona reactivo como material base, y se añade relleno conductor de calor de alto rendimiento para preparar una junta conductora de calor con conductividad térmica de 4.0 W/(m·K). El producto tiene buena usabilidad y confiabilidad y puede satisfacer los requisitos de los clientes para juntas conductoras de calor de alto rendimiento.
1.1 Principales materias primas y equipos
1.2 Preparación de almohadillas térmicas de silicona
2.1 Índice de rendimiento de la junta conductora de calor
2.2 Efecto del grosor en la deformación por compresión de la junta conductora de calor
2.3 Efecto del grosor en la resistencia térmica de la junta conductora de calor
2.5 Efecto de la fuerza de desprendimiento en el rendimiento operativo de las juntas conductoras de calor
2.6 Confiabilidad de las almohadillas térmicas
XJY Silicones – First choice raw material supplier of silicone thermally conductive materials
1. Experimento
1.1 Principales materias primas y equipos
Aceite de silicona vinílico de baja viscosidad: viscosidad 200 mPa·s, fracción molar de vinilo 0.35%; aceite de silicona vinílico de alta viscosidad: viscosidad 5000 mPa·s, fracción molar de vinilo 0.35%; aceite de silicona que contiene hidrógeno: viscosidad 50 mm²/s, fracción másica de hidrógeno activo 0.1 %; resina de silicona modificada; catalizador de platino, inhibidor; alúmina: pureza ≥99 %, tamaño promedio de partícula 20 μm; nitruro de aluminio: pureza 99.5 %, tamaño promedio de partícula 0.5 μm; óxido de aluminio esférico: pureza ≥99.8 %, tamaño promedio de partícula 70 μm. Mezclador planetario doble; horno, tipo ciclo térmico, ｡
1.2 Preparación de almohadillas térmicas de silicona
Añada 80 g de aceite de silicona vinílico de baja viscosidad, 8 g de aceite de silicona vinílico de alta viscosidad, 6 g de aceite de silicona que contiene hidrógeno, 5 g de resina de silicona modificada, 1.0 g de catalizador y 0.2 g de inhibidor al tanque de agitación, agite durante 0.5 h y haz vacío para eliminar burbujas de aire; luego añada 55 g de nitruro de aluminio, agite durante 0.5 h, luego añada 445 g de alúmina, agite uniformemente y luego haga vacío para eliminar burbujas de aire; finalmente, añada 402 g de alúmina esférica, agite durante 0.5 h y haga vacío para eliminar burbujas de aire. La pasta obtenida se forma entre las películas desmoldantes a cierto grosor, primero se vulcaniza a 120° C durante 30 minutos, y luego se hornea a 150° C durante 30 minutos para obtener una junta conductora de calor de silicona.
1.3 Prueba de rendimiento
- Conductividad térmica: utilizando el instrumento medidor de conductividad térmica TPS2500S, probado según ASTMD5470-2006.
- Resistencia térmica: utilizando el medidor de resistencia térmica LW9389 probado según ASTMD5470-2006.
- Dureza: Utilizando el durómetro tipo Shore OO.
- Densidad: Utilizando el densímetro real DPY-31 probado por el método de densidad real de helio.
- Resistencia a la tracción: Utilizando la máquina de ensayo universal electrónica LS1 probada según ASTMD412-2006.
- Alargamiento a la rotura: Utilizando la máquina de ensayo universal electrónica de control ETM103A probada según ASTMD412-2006.
- Resistividad volumétrica: Utilizando el probador de aislamiento 1508 probado según ASTMD257-2007;
- Permitividad relativa: Probador de voltaje de ruptura HJC-50kV probado según ASTMD150-2011;
- Fuerza de desprendimiento a 180°: Probar con el probador de fuerza de desprendimiento AR-1000.
- Propiedad de envejecimiento a alta temperatura: Utilizar horno de ciclo térmico Z120306. Método de prueba: La muestra se coloca a 150°C durante 440h y se enfría a temperatura ambiente para probar la resistencia térmica;
- Propiedad de envejecimiento por choque térmico: Probar con la caja de choque de alta y baja temperatura WIEETS60. Método de prueba: Prueba de ciclo de frío y calor a -40~125°C, la muestra se coloca a -40°C durante 0.5h y luego a 125°C durante 0.5h, este proceso es 1 ciclo, se prueban un total de 440 ciclos y luego se enfría a temperatura ambiente para probar la resistencia térmica de la muestra.
- Moisture and heat aging property: Use the KTHB-415TBS constant temperature and humidity box. The thermal resistance of the sample was measured after being placed at 85°C and 85% relative humidity for 440 hours and then cooled to room temperature.
- Instantaneous pressure: At the specified compression rate, the test reaches the specified compression deformation pressure.
- Presión a largo plazo: A la tasa de compresión especificada, la prueba mantiene la deformación por compresión especificada durante más de 5 minutos.
2. Resultados y Discusión
2.1 Índice de rendimiento de la junta conductora de calor
Los requisitos de conductividad térmica de las almohadillas térmicas de alto rendimiento son relativamente altos. Generalmente, se logra una alta conductividad térmica mediante una alta cantidad de rellenos térmicamente conductivos. Cuando la cantidad de rellenos térmicamente conductivos representa el 90% de la masa total del sistema, la conductividad térmica alcanza 4.0 W/m·K; en este momento, la densidad es de 3.4 g/cm³. En comparación con la almohadilla térmica conductora ordinaria, el alargamiento a la rotura se reduce notablemente, manteniendo aún el excelente rendimiento de aislamiento eléctrico. Las propiedades de las almohadillas térmicas de silicona preparadas se muestran en la Tabla 1.
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Tabla 1: Propiedades de las almohadillas térmicas de silicona |
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Elementos de prueba |
Performance |
|
Conductividad térmica |
4.0 |
|
50 |
|
|
Density |
3.4 |
|
Resistencia a la tracción |
0.07 |
|
Alargamiento a la rotura |
25 |
|
Resistividad volumétrica |
1×1013 |
|
Permitividad relativa |
5.0 |
2.2 Efecto del grosor en la deformación por compresión de la junta conductora de calor
La deformación por compresión también es un indicador importante de las almohadillas térmicas de alto rendimiento. Cuanto mayor sea la deformación por compresión, mejor será la flexibilidad del producto, más fácil será que se ajuste de manera apretada y menor será la resistencia térmica de la interfaz, para así lograr una mejor conductividad térmica. Los productos con diferentes espesores tienen diferentes deformaciones por compresión. En general, la tasa de compresión de la deformación por compresión es de 0.5 mm/min. El efecto del espesor en la deformación por compresión de las almohadillas térmicas se muestra en Figure 1.
Figura 1: Influencia del espesor en la deformación por compresión de la junta térmica
Se puede observar en la Figura 1 que, bajo la misma presión, cuanto mayor sea el espesor, mayor será el juego por compresión. Generalmente, se requiere que la deformación por compresión de los productos gruesos alcance más del 60% (generalmente menos de 0.69 MPa), y los productos pueden seleccionarse inicialmente según la curva de deformación por compresión.
2.3 Efecto del grosor en la resistencia térmica de la junta conductora de calor
Una de las características de una junta conductora de calor de alto rendimiento es su baja resistencia térmica. Cuanto menor sea la resistencia térmica, mejor será el efecto de conducción de calor. La resistencia térmica de los productos con diferentes espesores es diferente. Véase la Fig. 2 para la influencia del espesor en la resistencia térmica de la junta conductora de calor.
Figura 2 Efecto del espesor en la resistencia térmica de la junta conductora de calor
Se puede observar en la Figura 2 que cuanto mayor sea el espesor del producto, mayor será la resistencia térmica. La resistencia térmica de los productos con el mismo espesor disminuye linealmente con el aumento de la presión. El espesor del producto está determinado por el diseño del elemento conductor de calor. El ancho del espacio de la unidad de diseño conductor de calor corresponde al espesor del producto.
2.4 Efecto de la presión instantánea y a largo plazo en la deformación por compresión de juntas conductoras de calor
Los resultados de las pruebas de presión instantánea y a largo plazo en la junta conductora de calor se muestran en la Tabla 2.
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Tabla 2: Efecto de la presión instantánea y a largo plazo en la deformación por compresión de juntas conductoras de calor |
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Deformación por compresión/% |
Deformación transitoria/MPa |
Estrés crónico/MPa |
|
10 |
0.06 |
0 |
|
20 |
0.14 |
0.01 |
|
30 |
0.26 |
0.04 |
|
0.40 |
0.07 |
|
|
50 |
0.51 |
0.09 |
|
60 |
0.68 |
0.11 |
Nota: 1) Tasa de prueba 25.4 mm/min, Espesor 2mm
La Tabla 2 muestra que, a una tasa de compresión de 25.4 mm/min, se requiere una presión instantánea de 0.259 MPa para lograr una deformación por compresión del 30% y una presión a largo plazo de 0.037 MPa para mantener una deformación por compresión del 30%. Las presiones instantánea y a largo plazo están cerca de la aplicación y son muy fáciles de usar.
2.5 Efecto de la fuerza de desprendimiento en el rendimiento operativo de las juntas conductoras de calor
Con una alta adición de rellenos conductores de calor, la conductividad térmica de la junta térmica es alta, pero el producto se vuelve menos resistente por sí mismo y, en casos graves, también mancha los componentes electrónicos y el producto presenta defectos ambientales. Por lo tanto, el diseño de juntas térmicas conductoras de calor de alto rendimiento debe tener en cuenta la relación entre la fuerza de pelado y la operabilidad del producto. En general, los productos delgados requieren una mayor trabajabilidad que los productos gruesos. Incluso si la junta no contamina la película desmoldeante, una junta delgada con una alta fuerza de despegue levantará y desplazará la junta durante la remoción de la película, afectando su uso. El efecto de la fuerza de pelado en la operabilidad de las calzas conductoras de calor se muestra en la Tabla 3.
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Tabla 3: Influencia de la fuerza de desprendimiento en la operabilidad de la junta conductora de calor |
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|
Fuerza de pelado |
Operability |
|
20 |
Tinción de películas desprendibles |
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12 |
Película desprendible no manchante, fácil de desplazar |
|
8 |
Película desprendible no manchante, sin desplazamiento |
Como se observa en la Tabla 3, para una junta térmica conductora de 0.8mm, la operación es deficiente cuando la fuerza de pelado es superior a 12g/25mm, y óptima cuando la fuerza de pelado es de 8g/25mm. Dado que cuanto más grueso es el producto más fácil es retirar la película desprendible, en este experimento solo se discuten productos delgados.
2.6 Confiabilidad de las almohadillas térmicas
La actualización de un nuevo producto generalmente requiere una prueba de comparación de fiabilidad. Las pruebas de fiabilidad incluyen ensayos de envejecimiento a alta temperatura, envejecimiento por choque térmico y envejecimiento en condiciones de humedad y calor. Durante el proceso de actualización del producto, el cliente exige que la conductividad térmica de la almohadilla térmica no sea inferior a la de la muestra de referencia original tras 440 horas de envejecimiento. Los resultados de las pruebas de fiabilidad se muestran en la Figura 3 a la Figura 5.
Figure 3: Envejecimiento a alta temperatura de junta térmica conductora
Figure 4: Envejecimiento por choque térmico de junta térmica conductora
Figure 5: Envejecimiento por calor y humedad de juntas térmicas conductoras
Se puede observar en las Figuras 3 a 5 que la resistencia térmica de la almohadilla térmica es inferior a la de la muestra de referencia durante el proceso de envejecimiento a 150 °C durante 440h; la resistencia térmica de la almohadilla térmica es inferior a la de la muestra de referencia durante el proceso de envejecimiento por choque térmico de 440h; en el proceso de envejecimiento por humedad y calor de 440h, la resistencia térmica de la almohadilla térmica es inferior a la de la muestra de referencia.
In summary, the upgraded reliability of thermal pads with the same thickness is better than that of the original reference samples.
3. Conclusión
Se prepara una almohadilla térmica de alto rendimiento utilizando aceite de silicona reactivo como material base y alúmina y nitruro de aluminio como relleno térmico conductor. La fórmula preferida es: se añaden a un recipiente de agitación 80g de aceite de silicona vinílico de baja viscosidad, 8g de aceite de silicona vinílico de alta viscosidad, 6g de aceite de silicona con hidrógeno, 5g de resina de silicona modificada, 1.0g de catalizador y 0.2g de inhibidor, se agita durante 0.5h y se hace vacío para eliminar burbujas de aire; luego se añaden 55g de nitruro de aluminio, se agita durante 0.5h, después se añaden 445g de alúmina, se mezcla uniformemente y se vuelve a hacer vacío para eliminar burbujas; finalmente se añaden 402g de alúmina esférica, se agita durante 0.5h y se hace vacío para eliminar burbujas. La conductividad térmica del producto preparado con esta fórmula alcanza 4.0W/(m·K), es fácil de operar y usar, y tiene buena fiabilidad, lo que puede satisfacer los requisitos de los clientes para juntas térmicas conductoras de alto rendimiento.
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