Thermische Prinzipien und Verbesserungsstrategien von thermischen Grenzflächenmaterialien
Mit der Entwicklung moderner elektronischer Geräte hin zu Miniaturisierung, hoher Leistungsdichte und hoher Integration ist das Problem der Wärmeableitung elektronischer Geräte zu einem Schlüsselfaktor für die Lebensdauer und Leistung von Geräten geworden, insbesondere im 5G-Bereich. Daher sind bessere Lösungen für das Wärmemanagement erforderlich, um dieses Problem zu lösen. Im Allgemeinen muss die von elektronischen Geräten erzeugte Wärme auf die Oberfläche des Kühlkörpers übertragen werden, und das Einfüllen von thermischen Schnittstellenmaterialien (TIMs) zwischen dem elektronischen Gerät und dem Kühlkörper kann die Wärmeübertragungskapazität maximieren.
TIMs bestehen hauptsächlich aus organischen Matrizen und anorganischen Füllstoffen. Daher wird die Gesamtwärmeleitfähigkeit von TIMs durch die Wärmeleitfähigkeit von Polymeren und anorganischen Füllstoffen, den Grenzflächenwärmewiderstand von Polymeren und anorganischen Füllstoffen sowie den Grenzflächenwärmewiderstand zwischen den Kontaktflächen anorganischer Füllstoffe bestimmt. Die Wärmeleitfähigkeit wird hauptsächlich durch Elektronen oder/und Phononen bestimmt, und die vom Chip erzeugte Wärme wird über Tims an den Kühlkörper übertragen, wodurch die Zirkulation des Wärmeableitungssystems und die Kühlung elektronischer Geräte erreicht wird.
Elektronische Wärmeleitung findet hauptsächlich in leitfähigen wärmeleitenden Materialien statt. Wenn sich diese Materialien in einer unausgeglichenen Umgebung befinden, diffundieren Elektronen von hohen zu niedrigen Temperaturen und erzeugen entsprechende Ströme und Wärmeflüsse, was zu einer elektronischen Wärmeleitung führt. In Medien und nichtleitenden Polymeren ist die Wärmeleitung normalerweise Phononenwärmeleitung. Wenn eine Seite dieses Materialtyps erhitzt wird, vibriert das Gitter des Materials und die entsprechende Vibration wird auf benachbarte Atome übertragen, was zur Übertragung des Wärmeflusses im Material führt. Typischerweise sind TIMs, denen wir begegnen, von diesem Typ. Als Bestandteil von TIMs weisen anorganische nichtmetallische Füllstoffe eine relativ regelmäßige Gitterverteilung auf, und Phononen können sich entlang der Gitterrichtung ausbreiten und weisen häufig eine ausgezeichnete Wärmeleitfähigkeit auf; Bei einem weiteren wichtigen Polymerbestandteil sind die Polymerketten miteinander verflochten und leiten keine Hochgeschwindigkeitsphononen. Diese Phononen sind an der Grenzfläche der Polymerkette stark verteilt, was zu einer deutlichen Verringerung des Phononenflusses und einer Verringerung der Wärmeleitfähigkeit führt. Daher ist die Reduzierung der Phononenstreuung für die Verbesserung der Wärmeleitfähigkeit besonders wichtig.
Die herkömmliche Methode zum Aufbau von TIMs besteht in der Verwendung anorganischer Füllstoffe mit hoher Wärmeleitfähigkeit. Aufgrund der geringen Wärmeleitfähigkeit von Polymerpolymeren ist die Gesamtwärmeleitfähigkeit von auf diese Weise aufgebauten TIMs jedoch aufgrund ihres thermischen Grenzflächenwiderstands mit anorganischen Füllstoffen häufig nicht ideal. Daher sind die Reduzierung des Grenzflächenwärmewiderstands zwischen anorganischen Füllstoffen und Polymeren, anorganischen Füllstoffen und anorganischen Füllstoffen sowie die Konstruktion von Wärmeleitfähigkeitspfaden oder die Berücksichtigung beider Methoden zur Verbesserung der Wärmeleitfähigkeit von TIMs geworden.
Die Miniaturisierung und hohe Leistung elektronischer Produkte und Geräte erfordern, dass auch die Wärmeleitfähigkeit wärmeleitender Materialien ständig verbessert wird. Daher sind hohe Wärmeleitfähigkeit, ausgezeichnete Thixotropie und gute Lagerstabilität die wichtigsten Forschungs- und Entwicklungsrichtungen wärmeleitender Materialien.
