Полезная информация|Базовые знания о теплопроводящем силиконе

I. Что такое теплопроводящие силиконовые листы?

Теплопроводящие силиконовые листы представляют собой тип теплопроводящего материала, синтезированного с помощью специального процесса с использованием силикона в качестве основного материала и добавления различных вспомогательных материалов, таких как оксиды металлов. Теплопроводящая силиконовая резина представляет собой полимерный композиционный материал, в котором в качестве связующего используется кремнийорганическая смола, а для достижения теплопроводности наполняется теплопроводящим порошком.

II. Часто используемые матричные материалы и наполнители для теплопроводящих силиконовых листов

Кремнийорганическая смола (основное сырье)

1. Изолирующие и теплопроводящие наполнители: оксид алюминия, оксид магния, нитрид бора, нитрид алюминия, оксид бериллия, кварц и др., а также кремнийорганические пластификаторы.

2. Антипирены: гидроксид магния, гидроксид алюминия.

3. Неорганические красители (дифференциация цвета).

4. Сшивающие агенты (требования к адгезионным характеристикам)

5. Катализаторы (требования к технологическому формованию)

Примечание. Теплопроводящие силиконовые пластины действуют как проводники тепла, образуя хороший путь теплопроводности между тепло-генерирующим элементом и устройством-рассеивания тепла. Вместе с радиаторами, конструктивными элементами крепления (вентиляторами) и т.п. они образуют модуль отвода тепла.

Наполнители включают следующие металлические и неорганические наполнители:

1. Наполнители из металлических порошков: медный порошок, алюминиевый порошок, железный порошок, оловянный порошок, никелевый порошок и т. д.

2. Оксиды металлов: оксид алюминия, оксид висмута, оксид бериллия, оксид магния, оксид цинка;

3. Нитриды металлов: нитрид алюминия, нитрид бора, нитрид кремния;

4. Неорганические не-металлы: графит, карбид кремния, углеродное волокно, углеродные нанотрубки, графен, карбид бериллия и т. д.

III. Классификация теплопроводящих силиконовых прокладок
Теплопроводящие силиконовые прокладки можно разделить на: теплопроводящие силиконовые прокладки и несиликоновые силиконовые прокладки. Электроизоляционные свойства большинства теплопроводящих силиконовых прокладок в конечном итоге определяются изоляционными свойствами частиц наполнителя.

1. Теплопроводящие силиконовые прокладки
Теплопроводящие силиконовые прокладки делятся на множество подкатегорий, каждая из которых имеет свои уникальные характеристики.

2. Не-силиконовые силиконовые подушечки

Не-силиконовые силиконовые прокладки представляют собой материал с высокой теплопроводностью, двусторонний-самоклеящийся-, обладающий низким термическим сопротивлением и хорошими электроизоляционными свойствами при низкой силе сжатия во время сборки электронных компонентов. Стабильная работа в пределах от -40 до 150 градусов. Соответствует требованиям огнестойкости UL94V0.

IV. Механизм теплопроводности теплопроводящих силиконовых листов

Теплопроводность теплопроводящих силиконовых листов зависит от взаимодействия полимера и теплопроводящего наполнителя. Различные типы наполнителей имеют разные механизмы теплопроводности.

1. Механизм теплопроводности металлических наполнителей.
Металлические наполнители проводят тепло в первую очередь за счет движения электронов, что сопровождается теплопередачей.

2. Механизм теплопроводности не-наполнителей.
Неметаллические наполнители в основном проводят тепло через фононы, и скорость их диффузии тепла зависит главным образом от вибрации соседних атомов или связующих групп. Сюда входят оксиды металлов, нитриды металлов и карбиды.

V. Как использовать теплопроводящие силиконовые листы
Как правило, теплопроводящие силиконовые листы следует включать в конструкцию, аппаратное обеспечение и схему на начальном этапе проектирования. Обычно учитываются следующие факторы: теплопроводность, конструктивное исполнение, ЭМС, гашение вибрации и звукопоглощение, а также испытания при установке.

1. Выбор решения для рассеивания тепла. Электронные продукты имеют тенденцию к уменьшению, тоньше и облегчению конструкции, как правило, с использованием пассивных методов охлаждения, традиционно основанных на радиаторах. Текущая тенденция заключается в полном отказе от радиаторов с использованием конструкционных компонентов рассеивания тепла (металлические кронштейны, металлические кожухи); или сочетание радиатора и структурных компонентов рассеивания тепла. Выберите решение с лучшим соотношением цены-производительности для различных системных требований и сред.

2. При использовании теплоотвода не рекомендуется использовать двухсторонний клей с низкой теплопроводностью-; также не рекомендуется использовать термопасту без амортизации. Для работы рекомендуется использовать металлические крючки или пластиковые кнопки, используя теплопроводящую силиконовую накладку толщиной 0,5 мм. Эти два метода удобны в установке и эксплуатации, позволяют исключить необходимость использования клея и обеспечивают значительно лучшее рассеивание тепла, чем двухсторонний-клей, при этом они более безопасны и надежны. Общая стоимость, включая цену за единицу продукции, рабочую силу и оборудование, будет более конкурентоспособной.

3. При выборе структурного компонента рассеивания тепла необходимо учитывать структурную форму компонента рассеивания тепла, например, локальные выступы или углубления на контактной поверхности, и найти баланс между конструкционным процессом и размером теплопроводящей силиконовой прокладки. Если процесс позволяет, рекомендуется избегать использования слишком толстых теплопроводящих силиконовых прокладок. Для простоты эксплуатации обычно рекомендуется использовать односторонний-клей, прикрепляя сторону с клейким-покрытием к конструкции рассеивания тепла. Крайне важно выбрать теплопроводящую силиконовую прокладку с хорошей степенью сжатия, чтобы обеспечить достаточное давление на подушку. (Толщина теплопроводящей силиконовой прокладки должна быть больше, чем теоретический верхний предел допуска зазора между структурой рассеивания тепла и источником тепла, обычно на 1–2 мм допускается больше.) При выборе структуры рассеивания тепла при компоновке печатной платы также следует учитывать положение, высоту и тип корпуса компонентов. Это позволяет более организованно разместить источники тепла и снижает стоимость теплоотводящей конструкции.

VI. Как выбрать теплопроводящую силиконовую прокладку

Выбор теплопроводности
Выбор теплопроводности в первую очередь зависит от потребляемой мощности источника тепла и теплоотводящей способности радиатора или теплоотводящей конструкции. Как правило, чипы с относительно низкими температурными характеристиками, высокой температурной чувствительностью или высокой плотностью теплового потока (обычно более 0,6 Вт/см³, требующие теплоотводной обработки; чипы с поверхностной плотностью теплового потока менее 0,04 Вт/см² требуют только естественной конвекции) требуют теплоотводящей обработки, и следует выбирать теплопроводящие силиконовые прокладки с более высокой теплопроводностью. В промышленности бытовой электроники температура перехода кристалла обычно не должна превышать 85 градусов Цельсия, и во время испытаний при высоких-температурах рекомендуется поддерживать температуру поверхности чипа на уровне ниже 75 градусов Цельсия. Компоненты, используемые во всей плате, преимущественно коммерческого-класса, поэтому рекомендуется, чтобы внутренняя температура системы не превышала 50 градусов Цельсия при комнатной температуре. Поверхность первой внешней поверхности или поверхность, с которой может контактировать конечный потребитель, в идеале должна иметь температуру ниже 45 градусов Цельсия при комнатной температуре. Выбор теплопроводящих силиконовых прокладок с высокой теплопроводностью может удовлетворить проектные требования и обеспечить некоторый запас прочности.

Примечание. Плотность теплового потока: определяется как количество тепла, проходящего через единицу площади (1 квадратный метр) поперечного- сечения за единицу времени (1 секунду). Температура перехода обычно выше температуры корпуса и температуры поверхности устройства. Температура перехода измеряет время, необходимое для отвода тепла от полупроводниковой пластины к корпусу упакованного устройства, а также термическое сопротивление.

VII. Факторы, влияющие на теплопроводность теплопроводящих силиконовых прокладок

1. Тип и характеристики материала полимерной матрицы. Чем выше теплопроводность материала матрицы, тем лучше дисперсия наполнителя в матрице и чем лучше связь между матрицей и наполнителем, тем лучше теплопроводность композиционного материала.

2. Типы наполнителей. Более высокая теплопроводность наполнителей обычно приводит к лучшей теплопроводности композитного материала.

3. Форма наполнителей. Как правило, порядок легкости формирования путей теплопроводности следующий: усы > волокна > хлопья > гранулы. Чем легче наполнителям образовывать пути теплопроводности, тем лучше теплопроводность.

4. Содержание наполнителя. Распределение наполнителей внутри полимера определяет теплопроводность композитного материала. Низкое содержание наполнителя приводит к минимальной теплопроводности; избыточное содержание наполнителя существенно ухудшает механические свойства композита. Когда содержание наполнителя увеличивается до определенного значения, взаимодействие между наполнителями образует внутри системы сетчатую -подобную или цепную-подобную теплопроводящую сетку. Теплопроводность оптимальна, когда направление этой сети совпадает с направлением теплового потока. Поэтому существует критическое значение количества теплопроводящего наполнителя.

5. Характеристики сцепления между наполнителем и материалом матрицы. Более сильная связь между наполнителем и матрицей приводит к лучшей теплопроводности. Использование соответствующих связующих веществ для обработки поверхности наполнителя позволяет повысить теплопроводность на 10–20%.