معلومات مفيدة|المعرفة الأساسية بالسيليكون الموصل الحراري

I. ما هي صفائح السيليكون الموصلة حرارياً؟

صفائح السيليكون الموصلة حرارياً هي نوع من المواد المتوسطة الموصلة حرارياً التي يتم تصنيعها من خلال عملية خاصة، باستخدام السيليكون كمادة أساسية وإضافة مواد مساعدة مختلفة مثل أكاسيد المعادن. مطاط السيليكون الموصل حرارياً عبارة عن مادة مركبة بوليمر تستخدم راتنج السيليكون العضوي كمواد رابطة وتملأ بمسحوق موصل حرارياً لتحقيق التوصيل الحراري.

ثانيا. مواد المصفوفة والحشوات شائعة الاستخدام لصفائح السيليكون الموصلة حرارياً

راتنج السيليكون العضوي (المواد الخام الأساسية)

1. الحشوات العازلة والموصلة للحرارة: الألومينا، وأكسيد المغنسيوم، ونيتريد البورون، ونيتريد الألومنيوم، وأكسيد البريليوم، والكوارتز، وغيرها، وملدنات السيليكون العضوي.

2. مثبطات اللهب: هيدروكسيد المغنيسيوم، هيدروكسيد الألومنيوم

3. الملونات غير العضوية (تمايز الألوان)

4. وكلاء Crosslinking (متطلبات أداء الالتصاق)

5. المحفزات (متطلبات صب العملية)

ملاحظة: تعمل صفائح السيليكون الموصلة حراريًا كموصلات للحرارة، 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، إلخ.

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

3. نيتريدات المعادن: نيتريد الألومنيوم، نيتريد البورون، نيتريد السيليكون؛

4. المعادن غير العضوية-: الجرافيت، وكربيد السيليكون، وألياف الكربون، وأنابيب الكربون النانوية، والجرافين، وكربيد البريليوم، وما إلى ذلك.

ثالثا. 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 الفريدة.

2. وسادات سيليكون غير - من السيليكون

تعتبر وسادات السيليكون غير- المصنوعة من السيليكون مادة ذات موصلية حرارية عالية، و-ذاتية اللصق على الوجهين-، وتتميز بمقاومة حرارية منخفضة وخصائص عزل كهربائي جيدة تحت قوة ضغط منخفضة أثناء تجميع المكونات الإلكترونية. عملية مستقرة في حدود -40 درجة إلى 150 درجة. يلبي متطلبات تصنيف مثبطات اللهب UL94V0.

رابعا. آلية التوصيل الحراري لصفائح السيليكون الموصلة حرارياً

تعتمد الموصلية الحرارية لصفائح السيليكون الموصلة 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، والتي تكون مصحوبة بنقل الحرارة.

2. آلية التوصيل الحراري للحشوات غير المعدنية
تقوم الحشوات غير المعدنية بتوصيل الحرارة بشكل أساسي من خلال الفونونات، ويعتمد معدل انتشار الحرارة بشكل أساسي على اهتزاز الذرات المجاورة أو مجموعات الترابط. وهذا يشمل أكاسيد المعادن، ونيتريدات المعادن، والكربيدات.

V. كيفية استخدام صفائح السيليكون الموصلة حرارياً
بشكل عام، يجب دمج صفائح السيليكون الموصلة حراريًا في التصميم الهيكلي والأجهزة والدوائر بدءًا من مرحلة التصميم الأولية. تشمل الاعتبارات عادةً ما يلي: التوصيل الحراري، والتصميم الهيكلي، والتوافق الكهرومغناطيسي (EMC)، وتخميد الاهتزازات وامتصاص الصوت، واختبار التثبيت.

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

2. في حالة استخدام محلول المشتت الحراري، لا يُنصح باستخدام مادة لاصقة مزدوجة الجوانب ذات موصلية حرارية منخفضة؛ كما لا ينصح باستخدام الشحم الحراري دون امتصاص الصدمات. يُقترح استخدام خطافات معدنية أو دبابيس بلاستيكية للتشغيل، باستخدام وسادة سيليكون موصلة للحرارة بسمك 0.5 مم. تتميز هاتان الطريقتان بسهولة التركيب والتشغيل، ويمكنهما التخلص من الحاجة إلى المادة اللاصقة، كما توفران تبديدًا أفضل للحرارة بشكل ملحوظ مقارنة بالمواد اللاصقة مزدوجة الجوانب، مع كونها أكثر أمانًا وموثوقية. وستكون التكلفة الإجمالية، بما في ذلك سعر الوحدة والعمالة والمعدات، أكثر تنافسية.

3. عند اختيار مكون تبديد الحرارة الهيكلي، من الضروري مراعاة الشكل الهيكلي لمكون تبديد الحرارة، مثل النتوءات المحلية أو التجاويف على سطح التلامس، وتحقيق التوازن بين العملية الهيكلية وحجم وسادة السيليكون الموصلة حرارياً. إذا سمحت العملية، فمن المستحسن تجنب اختيار وسادات سيليكون سميكة للغاية وموصلة للحرارة. لسهولة التشغيل، يوصى عمومًا باستخدام مادة لاصقة أحادية الجانب-، مع ربط الجانب اللاصق المطلي -بهيكل تبديد الحرارة. من الضروري اختيار وسادة سيليكون موصلة حرارياً مع نسبة ضغط جيدة لضمان الضغط الكافي على الوسادة. (يجب أن يكون سمك وسادة السيليكون الموصلة حراريًا أكبر من الحد الأعلى النظري المسموح به للفجوة بين هيكل تبديد الحرارة ومصدر الحرارة، وبشكل عام يكون أكثر من 1 مم إلى 2 مم مقبولًا.) عند اختيار هيكل تبديد الحرارة، يجب أيضًا مراعاة موضع المكونات وارتفاعها ونوع العبوة أثناء تخطيط ثنائي الفينيل متعدد الكلور. وهذا يسمح بوضع مصادر الحرارة بشكل أكثر تنظيمًا ويقلل من تكلفة هيكل تبديد الحرارة.

سادسا. كيفية اختيار وسادة السيليكون الموصلة حرارياً

اختيار الموصلية الحرارية
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 نسبيًا، أو الحساسية العالية لدرجة الحرارة، أو كثافة التدفق الحراري العالية (بشكل عام أكبر من 0.6 وات/سم مكعب تتطلب معالجة تبديد الحرارة؛ وتلك ذات كثافة تدفق الحرارة السطحية أقل من 0.04 وات/سم2 تتطلب فقط الحمل الحراري الطبيعي) تتطلب معالجة تبديد الحرارة، ويجب اختيار وسادات السيليكون الموصلة حراريًا ذات الموصلية الحرارية العالية. في صناعة الإلكترونيات الاستهلاكية، لا يُسمح عمومًا بتجاوز درجات حرارة وصلات الرقائق 85 درجة مئوية، ويوصى بالتحكم في درجة حرارة سطح الشريحة إلى أقل من 75 درجة مئوية أثناء اختبار درجات الحرارة المرتفعة. المكونات المستخدمة في اللوحة بأكملها هي في المقام الأول 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 الخارجي الأول، أو السطح الذي يمكن للعميل النهائي الاتصال به، أقل من 45 درجة مئوية في درجة حرارة الغرفة. يمكن أن يؤدي اختيار وسادات السيليكون الموصلة حرارياً ذات الموصلية الحرارية العالية إلى تلبية متطلبات التصميم والسماح ببعض هامش التصميم.

ملاحظة: كثافة التدفق الحراري: يتم تعريفها على أنها كمية الحرارة التي تمر عبر وحدة المساحة (1 متر مربع) من المقطع العرضي - لكل وحدة زمنية (ثانية واحدة). عادة ما تكون درجة حرارة الوصلة 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 لوسادات السيليكون الموصلة حرارياً

1. نوع وخصائص مادة مصفوفة البوليمر: كلما زادت الموصلية الحرارية لمادة المصفوفة، كان تشتت الحشو في المصفوفة أفضل، وكلما كان الترابط بين المصفوفة والحشو أفضل، كانت الموصلية الحرارية للمادة المركبة أفضل.

2. أنواع الحشو: تؤدي الموصلية الحرارية العالية للحشو بشكل عام إلى توصيل حراري أفضل للمادة المركبة.

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

4. محتوى الحشو: إن توزيع مواد الحشو داخل البوليمر يحدد التوصيل الحراري للمادة المركبة. يؤدي محتوى الحشو المنخفض إلى الحد الأدنى من التوصيل الحراري؛ يؤثر محتوى الحشو المفرط بشكل كبير على الخواص الميكانيكية للمركب. عندما يزيد محتوى الحشو إلى قيمة معينة، يشكل التفاعل بين الحشوات شبكة -مثل أو سلسلة-مثل شبكة موصلة حرارياً داخل النظام. تكون الموصلية الحرارية مثالية عندما يتوافق اتجاه هذه الشبكة مع اتجاه تدفق الحرارة. ولذلك، هناك قيمة حرجة لكمية الحشو الموصلة حرارياً.

5. خصائص الترابط بين مواد الحشو ومواد المصفوفة: يؤدي الترابط العالي بين مادة الحشو والمصفوفة إلى توصيل حراري أفضل. يمكن أن يؤدي استخدام عوامل التوصيل المناسبة للمعالجة السطحية للحشو إلى زيادة التوصيل الحراري بنسبة 10% إلى 20%.