Zasady termiczne i strategie udoskonalania materiałów termoprzewodzących
Wraz z rozwojem nowoczesnych urządzeń elektronicznych w kierunku miniaturyzacji, dużej gęstości mocy i wysokiej integracji, problem odprowadzania ciepła przez urządzenia elektroniczne stał się kluczowym czynnikiem wpływającym na żywotność i wydajność urządzeń, zwłaszcza w dziedzinie 5G. Dlatego też, aby rozwiązać ten problem, potrzebne są lepsze rozwiązania w zakresie zarządzania ciepłem. Ogólnie rzecz biorąc, ciepło wytwarzane przez urządzenia elektroniczne musi zostać przeniesione na powierzchnię radiatora, a wypełnienie materiałami interfejsu termicznego (TIM) pomiędzy urządzeniem elektronicznym a radiatorem może zmaksymalizować zdolność wymiany ciepła.
TIM składają się głównie z matryc organicznych i wypełniaczy nieorganicznych. Dlatego też ogólna przewodność cieplna TIM będzie określona przez przewodność cieplną polimerów i wypełniaczy nieorganicznych, międzyfazowy opór cieplny polimerów i wypełniaczy nieorganicznych oraz międzyfazowy opór cieplny pomiędzy powierzchniami styku wypełniaczy nieorganicznych. Przewodność cieplna jest określana głównie przez elektrony i/lub fonony, a ciepło wytwarzane przez chip jest przekazywane do radiatora poprzez Tims, osiągając w ten sposób cyrkulację układu odprowadzania ciepła i chłodzenia urządzeń elektronicznych.
Elektroniczne przewodzenie ciepła występuje głównie w materiałach przewodzących ciepło. Kiedy materiały te znajdują się w niezrównoważonym środowisku, elektrony będą dyfundować z wysokich do niskich temperatur, generując odpowiednie prądy i przepływy ciepła, co skutkuje elektronicznym przewodzeniem ciepła. W mediach i polimerach nieprzewodzących przewodzenie ciepła jest zwykle przewodzeniem ciepła fononowego. Kiedy jedna strona tego typu materiału jest podgrzewana, siatka materiału wibruje, a odpowiednie wibracje przenoszone są na sąsiednie atomy, co powoduje przenoszenie przepływu ciepła w materiale. Zazwyczaj spotykane przez nas TIM-y są tego typu. Jako składnik TIM, nieorganiczne wypełniacze niemetaliczne mają stosunkowo regularny rozkład sieci, a fonony mogą rozprzestrzeniać się wzdłuż kierunku sieci, często wykazując doskonałą przewodność cieplną; W innym ważnym składniku polimeru łańcuchy polimerowe są ze sobą splecione i nie przewodzą fononów o dużej prędkości. Fonony te są silnie rozproszone na styku łańcucha polimeru, co powoduje znaczne zmniejszenie przepływu fononów i zmniejszenie przewodności cieplnej. Dlatego zmniejszenie rozpraszania fononów jest szczególnie ważne dla poprawy przewodności cieplnej.
Konwencjonalną metodą konstruowania TIM jest użycie nieorganicznych wypełniaczy o wysokiej przewodności cieplnej. Jednak ze względu na niską przewodność cieplną polimerów polimerowych, ogólna przewodność cieplna tak skonstruowanych TIM często nie jest idealna ze względu na ich opór cieplny na granicy faz z wypełniaczami nieorganicznymi. Dlatego też zmniejszanie międzyfazowego oporu cieplnego pomiędzy wypełniaczami nieorganicznymi a polimerem, wypełniaczami nieorganicznymi i wypełniaczami nieorganicznymi oraz konstruowanie ścieżek przewodzenia ciepła lub uwzględnienie obu, stało się kierunkiem poprawy przewodności cieplnej TIM.
Miniaturyzacja i duża moc produktów i sprzętu elektronicznego wymagają ciągłego doskonalenia przewodności cieplnej materiałów przewodzących ciepło. Dlatego wysoka przewodność cieplna, doskonała tiksotropia i dobra stabilność podczas przechowywania są najważniejszym kierunkiem badań i rozwoju materiałów termoprzewodzących.
