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Portuguese Avec le développement des produits électroniques vers la miniaturisation, la multifonctionnalité et les hautes performances, la technologie d'intégration système 3D à haute densité a vu le jour. L'intégration système tridimensionnelle offre une efficacité d'assemblage élevée, une vitesse de transmission des signaux rapide et une meilleure fiabilité du système. Malgré ces avantages, la consommation énergétique importante entraîne une augmentation de la chaleur par unité de surface du substrat, et une attention croissante est portée à la dissipation thermique. Cela impose des exigences de performance plus élevées pour les matériaux d'interface thermique. Grâce à la conception de dissipation thermique, la chaleur accumulée dans l'interface thermique du produit électronique est évacuée en temps opportun pour maintenir la température de fonctionnement dans une plage de conception raisonnable, garantissant ainsi la stabilité du système et la fiabilité du produit. La conductivité thermique décrit la capacité d'un matériau à conduire la chaleur. Plus la conductivité thermique est élevée, meilleure est la conduction thermique du matériau. Par conséquent, l'exigence de base pour les matériaux de dissipateurs thermiques hautes performances est une conductivité thermique suffisamment élevée.
Les caractéristiques clés des joints thermoconducteurs en caoutchouc silicone hautes performances doivent généralement répondre aux exigences de conductivité thermique élevée, bonne fiabilité du produit, bonne adhérence, facilité d'utilisation, absorption des chocs et réduction du bruit, respect de l'environnement, etc. En plus de la conductivité thermique de base, le client s'intéressera également à la déformation en compression, l'évolution de la résistance thermique, la pression instantanée et la pression à long terme du joint thermique ; pour les produits fins, nous porterons également attention à la performance opérationnelle du produit, principalement la valeur de la force de pelage, etc.
Étant donné que le joint thermoconducteur sert uniquement à combler les espaces et que la contrainte appliquée est très faible, ses propriétés mécaniques ne sont généralement pas élevées, ce qui explique son utilisation répandue. Avec l'amélioration continue des exigences de performance des produits électroniques, les spécifications des joints thermiques deviennent de plus en plus strictes. Les joints thermoconducteurs feront l'objet d'améliorations continues. De nombreuses recherches ont été menées, mais la conductivité thermique reste souvent inférieure à 3.0 W/(m·K), la formulation est incertaine et s'écarte de l'application pratique des produits, notamment en ce qui concerne la fiabilité, peu étudiée. Dans cette expérience, une huile silicone réactive est utilisée comme matériau de base, et un chargeur thermoconducteur haute performance est ajouté pour préparer un joint thermique d'une conductivité thermique de 4,0 W/(m·K). Le produit possède une bonne utilisabilité et fiabilité et peut répondre aux exigences des clients pour des joints thermiques hautes performances.
1.1 Matières premières et équipements principaux
1.2 Préparation des coussins thermiques en silicone
2.1 Indice de performance du joint thermique
2.2 Effet de l'épaisseur sur la déformation en compression du joint thermique
2.3 Effet de l'épaisseur sur la résistance thermique du joint thermique
2.5 Effet de la force de pelage sur la performance opérationnelle des joints thermoconducteurs
2.6 Fiabilité des coussins thermiques
XJY Silicones – First choice raw material supplier of silicone thermally conductive materials
1. Expérimentation
1.1 Matières premières et équipements principaux
Huile silicone vinylique de faible viscosité : viscosité 200 mPa·s, fraction molaire de vinyle 0,35 % ; huile silicone vinylique de haute viscosité : viscosité 5000 mPa·s, fraction molaire de vinyle 0,35 % ; huile silicone hydrogénée : viscosité 50 mm²/s, fraction massique d'hydrogène actif 0,1 % ; résine silicone modifiée ; catalyseur au platine, inhibiteur ; alumine : pureté ≥ 99 %, diamètre moyen des particules 20 µm ; nitrure d'aluminium : pureté 99,5 %, diamètre moyen des particules 0,5 µm ; alumine sphérique : pureté ≥ 99,8 %, diamètre moyen des particules 70 µm. Malaxeur à double planète ; four, cycle thermique., ｡
1.2 Préparation des coussins thermiques en silicone
Ajouter dans la cuve de mélange 80 g d'huile silicone vinylique de faible viscosité, 8 g d'huile silicone vinylique de haute viscosité, 6 g d'huile silicone hydrogénée, 5 g de résine silicone modifiée, 1,0 g de catalyseur et 0,2 g d'inhibiteur, mélanger pendant 0,5 h et mettre sous vide pour éliminer les bulles ; ajouter ensuite 55 g de nitrure d'aluminium, mélanger 0,5 h, puis ajouter 445 g d'alumine, mélanger uniformément, et mettre sous vide pour éliminer les bulles ; enfin, ajouter 402 g d'alumine sphérique, mélanger 0,5 h et mettre sous vide pour éliminer les bulles. La pâte obtenue est mise en forme entre des films de démoulage à une épaisseur définie, d'abord vulcanisée à 120 °C pendant 30 minutes, puis cuite à 150 °C pendant 30 minutes pour obtenir un coussin thermique en silicone conducteur.
1.3 Test de performance
- Conductivité thermique : Utilisation de l'instrument de mesure de conductivité thermique TPS2500S, testé conformément à la norme ASTMD5470-2006.
- Résistance thermique : Utilisation du mètre de résistance thermique LW9389 testé conformément à la norme ASTMD5470-2006.
- Dureté : Utilisation du testeur de dureté type Shore OO.
- Densité : Utilisation du densimètre véritable DPY-31 testé par la méthode de densité véritable à l'hélium.
- Résistance à la traction : Utilisation de la machine d'essai universelle électronique LS1 testée conformément à la norme ASTMD412-2006.
- Allongement à la rupture : Utilisation de la machine d'essai universelle électronique de contrôle ETM103A testée conformément à la norme ASTMD412-2006.
- Résistivité volumique : Utilisation du testeur d'isolation 1508 testé conformément à la norme ASTMD257-2007 ;
- Permittivité relative : Testeur de tension de claquage HJC-50kV testé conformément à la norme ASTMD150-2011 ;
- Force de pelage à 180° : Testé par le testeur de force de pelage AR-1000.
- Propriété de vieillissement à haute température : Adopte le four à cycle thermique Z120306. Méthode de test : L'échantillon est placé à 150℃ pendant 440h puis refroidi à température ambiante pour tester la résistance thermique ;
- Propriété de vieillissement par choc thermique et froid : Testée par la boîte de choc haute et basse température WIEETS60. Méthode de test : test de cycle froid et chaleur de -40~125℃, l'échantillon est placé à -40℃ pendant 0,5h puis à 125℃ pendant 0,5h, ce processus constitue 1 cycle, un total de 440 cycles sont testés puis refroidis à température ambiante pour tester la résistance thermique de l'échantillon.
- Propriété de vieillissement en humidité et chaleur : Utilise la boîte à température et humidité constantes KTHB-415TBS. La résistance thermique de l'échantillon a été mesurée après avoir été placé à 85°C et à une humidité relative de 85% pendant 440 heures puis refroidi à température ambiante.
- Pression instantanée : Au taux de compression spécifié, le test atteint la pression de déformation par compression spécifiée.
- Pression à long terme : Au taux de compression spécifié, le test maintient la déformation par compression spécifiée pendant plus de 5 minutes.
2. Résultats et discussion
2.1 Indice de performance du joint thermique
Les exigences de conductivité thermique des coussinets thermiques hautes performances sont relativement élevées. En général, une conductivité thermique élevée est obtenue par une quantité importante de charges thermoconductrices. Lorsque la quantité de charges thermoconductrices représente 90% de la masse totale du système, la conductivité thermique atteint 4,0 W/m•K ; À ce moment, la densité est de 3,4g/cm³. Comparé au joint thermoconducteur ordinaire, l'allongement à la rupture est nettement réduit, et les excellentes performances d'isolation électrique sont toujours maintenues. Les propriétés des coussinets thermiques en silicone préparés sont présentées dans le Tableau 1.
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Tableau 1 : Propriétés des joints thermiques en silicone |
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Articles de test |
Performance |
|
Conductivité thermique |
4.0 |
|
50 |
|
|
DDensité |
3.4 |
|
Résistance à la traction |
0.07 |
|
Allongement à la rupture |
25 |
|
Résistivité volumique |
1×1013 |
|
Permittivité relative |
5.0 |
2.2 Effet de l'épaisseur sur la déformation en compression du joint thermique
La déformation en compression est également un indicateur important des tampons thermiques hautes performances. Plus la déformation en compression est grande, meilleure est la flexibilité du produit, plus il est facile de s'adapter étroitement, et plus la résistance thermique d'interface est faible, permettant ainsi une meilleure conductivité thermique. Les produits d'épaisseurs différentes ont des déformations en compression différentes. En général, le taux de compression de la déformation en compression est de 0,5 mm/min. L'effet de l'épaisseur sur la déformation en compression des tampons thermiques est illustré à la Figure 1.
Figure 1 : Influence de l'épaisseur sur la déformation en compression du joint thermique
On peut voir d'après la Figure 1 que, pour une même pression, plus l'épaisseur est grande, plus le taux de compression est élevé. En général, la déformation en compression des produits épais doit atteindre plus de 60% (généralement inférieure à 0,69 MPa), et les produits peuvent être présélectionnés en fonction de la courbe de déformation en compression.
2.3 Effet de l'épaisseur sur la résistance thermique du joint thermique
L'une des caractéristiques d'un joint thermoconducteur haute performance est sa faible résistance thermique. Plus la résistance thermique est faible, meilleur est l'effet thermoconducteur. La résistance thermique des produits d'épaisseurs différentes varie. Voir la Fig. 2 pour l'influence de l'épaisseur sur la résistance thermique du joint thermoconducteur.
Figure 2 Effet de l'épaisseur sur la résistance thermique du joint thermoconducteur
On peut voir d'après la Figure 2 que plus l'épaisseur du produit est grande, plus sa résistance thermique est élevée. La résistance thermique des produits de même épaisseur diminue linéairement avec l'augmentation de la pression. L'épaisseur du produit est déterminée par la conception de l'élément thermoconducteur. La largeur de l'intervalle de l'unité de conception thermoconductrice correspond à l'épaisseur du produit.
2.4 Effet d'une pression instantanée et à long terme sur la déformation en compression des joints thermoconducteurs
Les résultats des tests de pression instantanée et à long terme sur le joint thermoconducteur sont présentés dans le Tableau 2.
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Tableau 2: Effet de la pression instantanée et à long terme sur la déformation en compression des joints thermoconducteurs |
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Déformation en compression/% |
Déformation transitoire/MPa |
Contrainte chronique/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 |
Note : 1) Vitesse de test 25,4 mm/min, Épaisseur 2 mm
Le tableau 2 montre qu'à un taux de compression de 25,4 mm/min, une pression instantanée de 0,259 MPa est nécessaire pour obtenir une déformation par compression de 30 % et une pression à long terme de 0,037 MPa est nécessaire pour maintenir une déformation par compression de 30 %. Les pressions instantanée et à long terme sont proches de l'application et sont très faciles à utiliser.
2.5 Effet de la force de pelage sur la performance opérationnelle des joints thermoconducteurs
Avec une forte addition de charges thermiquement conductrices, la conductivité thermique du joint thermique est élevée, mais le produit devient moins résistant en lui-même, et dans les cas graves, il tache également les composants électroniques et le produit présente des défauts environnementaux. Par conséquent, la conception de joints thermiques haute performance doit prendre en compte la relation entre la force de pelage et l'opérabilité du produit. D'une manière générale, les produits fins nécessitent une meilleure maniabilité que les produits épais. Même si le joint ne contamine pas le film de décollement, un joint fin avec une force de pelage élevée soulèvera et déplacera le joint lors du retrait du film, affectant son utilisation. L'effet de la force de pelage sur l'opérabilité des entretoises thermoconductrices est présenté dans le tableau 3.
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Tableau 3 : Influence de la force de décollement sur l'opérabilité du joint thermoconducteur |
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Force de pelage |
Operability |
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20 |
Tâchage des films de décollement |
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12 |
Film de décollement non tachant, facile à déplacer |
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8 |
Film de décollement non tachant, sans déplacement |
Comme on peut le voir dans le tableau 3, pour un joint thermoconducteur de 0,8 mm, l'opération est mauvaise lorsque la force de pelage est supérieure à 12 g/25 mm, et optimale lorsque la force de pelage est de 8 g/25 mm. Comme plus le produit est épais, plus il est facile de retirer le film de décollement, seuls les produits fins sont discutés dans cette expérience.
2.6 Fiabilité des coussins thermiques
La mise à niveau d'un nouveau produit nécessite généralement un test comparatif de fiabilité. Les tests de fiabilité incluent le test de vieillissement à haute température, le test de vieillissement par choc thermique et le test de vieillissement en ambiance humide. Dans le processus de mise à niveau du produit, le client exige que la conductivité thermique du tampon thermique ne soit pas inférieure à celle de l'échantillon de référence original après un vieillissement de 440 heures. Les résultats des tests de fiabilité sont présentés de la figure 3 à la figure 5.
Figure 3: Vieillissement à haute température du joint thermoconducteur
Figure 4: Vieillissement par choc thermique du joint thermoconducteur
Figure 5: Vieillissement en ambiance chaude et humide des joints thermoconducteurs
On peut voir des figures 3 à 5 que la résistance thermique du tampon thermique est inférieure à celle de l'échantillon de référence pendant le processus de vieillissement à 150 °C pendant 440 h ; la résistance thermique du tampon thermique est inférieure à celle de l'échantillon de référence pendant le processus de vieillissement par choc thermique de 440 h ; le processus de vieillissement en ambiance humide de 440 h, la résistance thermique du tampon thermique est inférieure à celle de l'échantillon de référence.
In summary, the upgraded reliability of thermal pads with the same thickness is better than that of the original reference samples.
3. Conclusion
Un tampon thermique haute performance est préparé en utilisant de l'huile de silicone réactive comme matériau de base et de l'alumine et du nitrure d'aluminium comme charge thermoconductrice. La formule préférée est : 80 g d'huile de silicone vinylique à faible viscosité, 8 g d'huile de silicone vinylique à haute viscosité, 6 g d'huile de silicone hydrogénée, 5 g de résine de silicone modifiée, 1,0 g de catalyseur et 0,2 g d'inhibiteur sont ajoutés à la cuve d'agitation et mélangés pendant 0,5 h, puis mis sous vide pour éliminer les bulles d'air ; ensuite, ajouter 55 g de nitrure d'aluminium, agiter pendant 0,5 h, puis ajouter 445 g d'alumine, mélanger uniformément, puis mettre sous vide pour éliminer les bulles d'air ; enfin, ajouter 402 g d'alumine sphérique, agiter pendant 0,5 h et mettre sous vide pour éliminer les bulles d'air. La conductivité thermique du produit préparé avec cette formule atteint 4,0 W/(m·K), il est facile à manipuler et à utiliser, et possède une bonne fiabilité, ce qui peut répondre aux exigences des clients pour des joints thermoconducteurs haute performance.
Silicone XJYs - Premier fournisseur de matières premières pour matériaux thermoconducteurs en silicone
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