فهم ورقة السيليكون الموصلة للحرارة في مقال واحد

تتكون المواد التقليدية الموصلة للحرارة بشكل أساسي من المعادن (Ag، Cu، وAl) وأكاسيد المعادن (Al₂O₃، MgO، وBeO)، بالإضافة إلى المواد غير المعدنية (الجرافيت، وأسود الكربون، وSi₃N₄، وAlN). تم فرض متطلبات جديدة على المواد الموصلة للحرارة نتيجة لتقدم الإنتاج الصناعي والعلوم والتكنولوجيا. وقد لوحظت الرغبة في المواد ذات الخصائص الشاملة الاستثنائية. وفي القطاعين الكهربائي والإلكتروني، انخفض حجم المكونات الإلكترونية والدوائر المنطقية آلاف المرات نتيجة للتطور السريع في تقنيات التكامل والتجميع. وبالتالي، هناك حاجة إلى مواد عازلة ذات موصلية حرارية عالية. على مدى العقود القليلة الماضية، توسعت مجالات تطبيق مواد البوليمر بشكل مطرد. لقد أصبح استبدال المواد الصناعية التقليدية، وخاصة المواد المعدنية، بمواد بوليمرية مركبة صناعيا، محورا للبحث العلمي العالمي. I. ما هي صفائح السيليكون الموصلة حرارياً؟

صفائح السيليكون الموصلة حرارياً هي نوع من المواد المتوسطة التي يتم تصنيعها من خلال عملية فريدة من نوعها. تتضمن هذه العملية استخدام السيليكون كمادة أساسية وإضافة مجموعة متنوعة من المواد المساعدة، مثل أكاسيد المعادن. مطاط السيليكون الموصل حرارياً عبارة عن مادة مركبة بوليمرية تحقق التوصيل الحراري عن طريق ملئها بمسحوق موصل حرارياً واستخدام راتنج السيليكون العضوي كمواد رابطة.

ثانيا. مواد المصفوفة والحشوات شائعة الاستخدام لصفائح السيليكون الموصلة حرارياً

راتنج السيليكون العضوي (المواد الخام الأساسية)

1. الحشوات العازلة والموصلة للحرارة: الألومينا، أكسيد المغنيسيوم، نتريد البورون، نتريد الألومنيوم، أكسيد البريليوم، الكوارتز، إلخ. الملدنات العضوية السيليكونية

2. مثبطات اللهب: هيدروكسيد المغنيسيوم، هيدروكسيد الألومنيوم

3. الملونات غير العضوية (تمايز الألوان)

4. عامل التشابك (متطلبات أداء الالتصاق)

5. المحفز (متطلبات صب العملية)

ملاحظة: تعمل وسادات السيليكون الموصلة حراريًا على وظيفة التوصيل الحراري، مما يشكل مسار توصيل حراري جيد بين عنصر توليد الحرارة-وجهاز تبديد الحرارة-. جنبا إلى جنب مع المشتتات الحرارية، والمثبتات الهيكلية (المراوح)، وما إلى ذلك، فإنها تشكل وحدة تبديد الحرارة.

تشتمل الحشوات على الحشوات المعدنية وغير العضوية التالية:

1. حشوات المساحيق المعدنية: مسحوق النحاس، مسحوق الألومنيوم، مسحوق الحديد، مسحوق القصدير، مسحوق النيكل، وما إلى ذلك؛

2. أكاسيد المعادن: أكسيد الألومنيوم، أكسيد البزموت، أكسيد البريليوم، أكسيد المغنيسيوم، أكسيد الزنك؛

3. المعادن... النتريدات: نتريد الألومنيوم، نتريد البورون، نتريد السيليكون؛

4. المعادن غير العضوية-: الجرافيت، كربيد السيليكون، ألياف الكربون، أنابيب الكربون النانوية، الجرافين، كربيد البريليوم، إلخ.

الصورة الثالثة. تصنيف جوانات السيليكون الموصلة حرارياً
يمكن تقسيم حشوات السيليكون الموصلة حراريًا إلى: وسادات السيليكون الموصلة حراريًا ووسادات السيليكون غير -السيليكون. يتم تحديد خصائص العزل الكهربائي لمعظم حشوات السيليكون الموصلة حرارياً في النهاية من خلال خصائص العزل لجزيئات الحشو.

1. وسادات سيليكون موصلة حرارياً
يتم تقسيم وسادات السيليكون الموصلة حرارياً أيضًا إلى العديد من الفئات الفرعية، ولكل منها خصائصها المميزة.

2. وسادات السيليكون غير-وسادات السيليكون-تعد وسادات السيليكون غير{2}}مادة موصلية حرارية عالية، وهي ذاتية اللصق على الوجهين-ذاتية-. عند استخدامها في تجميع المكونات الإلكترونية، فإنها تظهر مقاومة حرارية منخفضة وخصائص عزل كهربائي جيدة تحت قوة ضغط منخفضة. إنها تعمل بثبات من -40 درجة إلى 150 درجة وتلبي تصنيف مثبطات اللهب UL94V0.

رابعا. آلية التوصيل الحراري للسيليكون الموصل حرارياً

تعتمد الموصلية الحرارية للسيليكون الموصل حرارياً على التفاعل بين البوليمر والحشو الموصل حرارياً. أنواع مختلفة من الحشوات لها آليات توصيل حراري مختلفة.

1. آلية التوصيل الحراري للحشوات المعدنية
تقوم الحشوات المعدنية في المقام الأول بتوصيل الحرارة من خلال حركة الإلكترون؛ تكون عملية حركة الإلكترون مصحوبة بانتقال الحرارة.

2. آلية التوصيل الحراري للحشوات غير المعدنية
تعتمد الحشوات غير المعدنية-في المقام الأول على التوصيل الصوتي؛ يعتمد معدل انتشار الحرارة بشكل أساسي على اهتزاز الذرات المجاورة أو مجموعات الترابط. وتشمل هذه أكاسيد المعادن، ونيتريدات المعادن، والكربيدات.

V. كيفية استخدام صفائح السيليكون الموصلة حرارياً

بشكل عام، يجب دمج وسادات السيليكون الموصلة حرارياً في التصميم الهيكلي والأجهزة والدوائر بدءًا من مرحلة التصميم الأولية. تشمل العوامل التي يجب أخذها في الاعتبار عادةً ما يلي: التوصيل الحراري، والتصميم الهيكلي، والتوافق الكهرومغناطيسي (EMC)، وتخميد الاهتزازات وامتصاص الصوت، والتركيب والاختبار.

1. اختيار حل لتبديد الحرارة: تتجه المنتجات الإلكترونية نحو تصميمات أصغر حجمًا وأرق وأخف وزنًا، وتستخدم عمومًا طرق تبريد سلبية، وتعتمد تقليديًا على المبددات الحرارية. الاتجاه الحالي هو التخلص من المشتتات الحرارية تمامًا، وذلك باستخدام مكونات هيكلية لتبديد الحرارة (الأقواس المعدنية، والأغلفة المعدنية)؛ أو الجمع بين حلول المشتت الحراري ومكونات تبديد الحرارة الهيكلية. يجب اختيار الحل الذي يتمتع بأفضل نسبة أداء من حيث التكلفة- استنادًا إلى متطلبات النظام والبيئات المختلفة.

2. في حالة استخدام محلول المشتت الحراري، لا يُنصح باستخدام شريط مزدوج الجوانب - موصل للحرارة مع موصلية حرارية منخفضة؛ كما لا يُنصح باستخدام الشحم الحراري الذي لا يتمتع بقدرات تخميد الاهتزازات. يُقترح استخدام خطافات معدنية أو دبابيس دفع بلاستيكية للتشغيل، واختيار 0.5 مم... إن استخدام وسادات السيليكون السميكة الموصلة للحرارة جنبًا إلى جنب مع الطرق الأخرى يوفر تركيبًا مريحًا ويزيل الحاجة إلى دعامة لاصقة. وينتج عن ذلك تبديد حرارة أفضل بكثير من الشريط -الموصّل حراريًا مزدوج الجوانب، كما أنه أكثر أمانًا وموثوقية. تعتبر التكلفة الإجمالية، بما في ذلك سعر الوحدة والعمالة والمعدات، أكثر تنافسية.

3. عند اختيار هياكل تبديد الحرارة، من الضروري مراعاة الشكل الهيكلي لهيكل تبديد الحرارة، مثل النتوءات المحلية أو التجاويف على سطح التلامس. يجب تحقيق التوازن بين التصميم الهيكلي وحجم وسادة السيليكون الموصلة حرارياً. إذا سمحت العملية، فمن المستحسن تجنب اختيار وسادات السيليكون السميكة للغاية والموصلة للحرارة. لسهولة التشغيل، يوصى عمومًا باستخدام غلاف لاصق أحادي الجانب-، مع تطبيق الجانب المطلي اللاصق -على هيكل تبديد الحرارة. من الضروري اختيار وسادة ذات نسبة ضغط جيدة لضمان الضغط الكافي على وسادة السيليكون الموصلة حرارياً. (يجب أن يتجاوز سمك وسادة السيليكون الموصلة حراريًا الحد الأعلى النظري للخلوص بين هيكل تبديد الحرارة ومصدر الحرارة، عادةً بمقدار 1 مم إلى 2 مم.) عند اختيار هياكل تبديد الحرارة، يجب أيضًا مراعاة موضع المكونات وارتفاعها ونوع الحزمة أثناء تخطيط ثنائي الفينيل متعدد الكلور. إن وضع مصادر الحرارة بانتظام يمكن أن يقلل من تكلفة هيكل تبديد الحرارة.

سادسا. كيفية اختيار صفائح السيليكون الموصلة للحرارة
يعتمد اختيار التوصيل الحراري في المقام الأول على استهلاك الطاقة لمصدر الحرارة وقدرة تبديد الحرارة للمشتت الحراري أو هيكل تبديد الحرارة. بشكل عام، الرقائق ذات مواصفات درجات الحرارة المنخفضة، أو الحساسية العالية لدرجة الحرارة، أو كثافة التدفق الحراري العالية (بشكل عام أكبر من 0.6 وات/سم3 تتطلب تبديد الحرارة، في حين أن تلك ذات كثافة تدفق الحرارة السطحية أقل من 0.04 وات/سم2 تتطلب فقط الحمل الحراري الطبيعي) تتطلب تبديد الحرارة، ويجب اختيار صفائح السيليكون الموصلة للحرارة ذات التوصيل الحراري العالي. في صناعة الإلكترونيات الاستهلاكية، لا يُسمح عمومًا بتجاوز درجات حرارة وصلات الرقائق 85 درجة مئوية، ويوصى بالتحكم في درجة حرارة سطح الشريحة أقل من 75 درجة مئوية أثناء -اختبار درجات الحرارة العالية. معظم مكونات اللوحة بأكملها من الدرجة التجارية-، لذا يوصى بأن لا تتجاوز درجة حرارة النظام الداخلية 50 درجة مئوية في درجة حرارة الغرفة. يجب أن تكون درجة حرارة سطح السطح الأول، أو السطح الذي يمكن للعميل النهائي الاتصال به، أقل من 45 درجة مئوية في درجة حرارة الغرفة. يمكن أن يؤدي اختيار صفائح السيليكون الموصلة للحرارة ذات الموصلية الحرارية العالية إلى تلبية متطلبات التصميم والسماح ببعض هامش التصميم.

ملحوظة: كثافة التدفق الحراري: تُعرف بأنها: كثافة التدفق الحراري لكل وحدة مساحة (1 متر مربع) لكل وحدة زمنية (1 تقيس درجة حرارة الوصلة (JT) كمية الحرارة التي تمر عبر رقاقة أشباه الموصلات إلى غلاف الجهاز المعبأ في ثوانٍ. وعادة ما تكون أعلى من درجة حرارة العلبة ودرجة حرارة سطح الجهاز. تقيس درجة حرارة الوصلة الوقت اللازم لتبديد الحرارة من رقاقة أشباه الموصلات إلى غلاف الجهاز المعبأ، بالإضافة إلى المقاومة الحرارية.

سابعا. العوامل المؤثرة على التوصيل الحراري للسيليكون الموصل حرارياً

1. نوع وخصائص مادة مصفوفة البوليمر: مادة مصفوفة موصلية حرارية أعلى، وتشتت أفضل للحشو في المصفوفة، ورابطة أفضل بين المصفوفة والحشو تؤدي إلى توصيل حراري أفضل للمادة المركبة.

2. نوع الحشو: الموصلية الحرارية العالية للحشو تؤدي عمومًا إلى توصيل حراري أفضل للمادة المركبة.

3. شكل الحشو: بشكل عام، ترتيب سهولة تشكيل المسارات الحرارية هو شعيرات > ألياف > رقائق > حبيبات. كلما كان من الأسهل على الحشو تشكيل مسارات حرارية، كلما كانت التوصيل الحراري أفضل.

4. محتوى الحشو إن توزيع مواد الحشو داخل البوليمر يحدد التوصيل الحراري للمواد المركبة. عندما يكون محتوى الحشو منخفضًا، فإن تأثير التوصيل الحراري ليس كبيرًا؛ عندما يكون محتوى الحشو زائدًا، تتأثر الخواص الميكانيكية للمادة المركبة بشكل كبير. ومع ذلك، عندما يزيد محتوى الحشو إلى قيمة معينة، يشكل التفاعل بين الحشوات شبكة -مثل أو سلسلة-مثل الشبكة الموصلة حراريًا في النظام. تكون الموصلية الحرارية مثالية عندما يتماشى اتجاه هذه الشبكة مع اتجاه تدفق الحرارة. ولذلك، هناك قيمة حرجة لكمية الحشو الموصلة حرارياً.

5. خصائص الترابط بين مادة الحشو والمصفوفة كلما زادت درجة الترابط بين مادة الحشو والمصفوفة، كلما كانت التوصيل الحراري أفضل. يمكن أن يؤدي استخدام عامل اقتران مناسب لمعالجة سطح الحشو إلى زيادة التوصيل الحراري بنسبة 10% إلى 20%.