サーマルパッドの高熱伝導率、柔軟性、高反発の完璧な組み合わせを実現するにはどうすればよいですか?

情報技術の急速な発展によりインテリジェント時代の到来が加速し、キャリアとしてのさまざまな電子製品は常に更新され、置き換えられています。高出力、高集積、小型化という進化の傾向により、放熱と信頼性の問題はますます困難になり、電子製品設計のボトルネックになりつつあります。熱管理を通じて、高出力システムまたは機器は発生する熱を効果的に制御および管理して、システム機器が許容可能な温度レベルで動作することを保証し、最終的にシステムの信頼性、パフォーマンス、および寿命を保証します。

サーマル インターフェイス マテリアル (TIM) は、2 つの表面、通常は熱源 (コンピュータ プロセッサなど) とヒートシンク (金属ヒートシンクやその他の冷却システムなど) の間の熱伝達を改善するために使用される材料です。

TIMについて

界面熱抵抗は放熱における重要な研究の1つであり、半導体チップ、電子製品、携帯電話、自動車バッテリーなどの放熱能力を決定し、それらの性能と安定性に影響を与えます。空気は典型的な熱の伝導性が悪く、微視的な固体表面の界面接触部には多くの界面ギャップが存在します。空気が存在するため、放熱効率が非常に低くなります。

空気を効果的に排除してデバイスとヒートシンク間の接触を近づけると、界面接触熱抵抗が低減され、効率的な熱伝達チャネルが確立され、放熱効率が最大化されます。 TIM は、2 つ以上の固体表面間で熱を伝導する製品です。放熱経路上のさまざまな構造間にTIMを充填すると、隙間間の空気を効果的に排出し、接触面積を増やすことでホットスポットの熱伝導を促進し、2つの表面間の熱伝達を効果的に改善し、熱管理の効率を向上させることができます。システム。

TIM は通常、ポリマー材料をマトリックスとし、熱伝導性粒子を充填した放熱材料です。チップのサイズが縮小し、集積度および電力密度が増加し続けるにつれて、チップの動作中に発生する熱が増加し、チップ温度の継続的な上昇につながり、最終的な電子部品の性能、信頼性、寿命に重大な影響を及ぼします。サーマル・インターフェース・マテリアルは、低い設置圧力条件下で接触面の隙間を完全に埋め、サーマル・インターフェース・マテリアルと接触面の間の接触熱抵抗が非常に小さくなるように、高い熱伝導率と高い柔軟性を備えている必要があります。 、絶縁性と非毒性を確保しながら。熱伝導性フィラーは金属材料、セラミック材料、カーボン材料の3つに分類され、マトリックス材料としてはシリコーンオイル、ゴム材料、樹脂材料が主となります。一般的な熱伝導性インターフェース材料には、熱伝導性シリコーン グリース、熱伝導性ゲル、熱伝導性パッド、相変化材料などが含まれます。

現時点では多機能・配向構造熱伝導材料や非シリコン系熱伝導材料が主な研究方向と考えられる。熱伝導性材料の多機能性とは、主に熱伝導性を前提に他の機能を付加したり、熱伝導性以外の高い性能が要求されることを指します。多機能性の目的は主に、さまざまな熱伝導率シナリオのニーズに対応し、機能統合を達成し、デバイス構造を最適化し、熱を放散しながら総合的なパフォーマンスをさらに向上させることです。

たとえば、基材の熱伝導率を向上させる従来の方法の 1 つは、熱伝導率が高く、反発性が高く、柔軟性があるため、フィラーの含有量を増やすことです。従来の金属およびセラミックの熱伝導性フィラーは機械的強度が高く、その含有量を増やすとマトリックスの柔軟性と弾性が低下する可能性があり、一部の特殊なシナリオでは材料の加工性や用途が制限される可能性があります。したがって、高い熱伝導率、柔軟性、および高い弾性を備えたサーマルインターフェース材料の開発が開発の重要な焦点の 1 つとなっています。では、業界はこの問題をどのように解決しているのでしょうか?

TIMの高熱伝導率、高反発、ショア硬度のバランスは不可能なのでしょうか？

よく知られているように、電子製品の信頼性に対する主な課題は、一般に「熱膨張と熱収縮」と呼ばれる熱膨張係数 (CTE) に起因します。 CTE は材料自体の特性であり、電子デバイス間の CTE の不一致により、次の図に示すように、動作温度が上昇または下降すると曲げ変形が発生します。

時間の経過とともに、ギャップ間のサーマル インターフェイス マテリアルが変形や圧縮を繰り返すとギャップが生じ、放熱効果に影響を与える可能性があります。また、多くの高出力デバイスは、「省エネと排出削減」や「カーボンニュートラル」などの要件に応えて、タイダルモードをアクティブにします。これは、需要のピーク時には電力が完全にオンになり、需要が低い時には電力が完全にオンになります。深夜から早朝などの需要時間帯には、システム電力が低下またはシャットダウンされます。これは、ワークピースに対して毎日温度サイクルエージングを実行するのと同じです。これは間違いなく CTE の影響を悪化させます。

電子製造業界では、数十年にわたり、主に有機シリコン樹脂とさまざまな種類の熱伝導性フィラーで構成される従来のシリコンベースの熱伝導性パッドを使用してきました。この組成によってもたらされる自然な特性は、完成品自体には圧縮反発特性がまったくないことです。過酷な作業条件の影響と相まって、顕微鏡レベルでチップと放熱モジュールが長期間圧縮された後、

特に高温では、時間の経過とともに、特定の接触面に不可逆的な界面剥離「デラミネーション」が徐々に現れ、その結果、界面の熱抵抗が大幅に増加し、良好な熱伝導経路を提供し続けることができなくなります。最終的にはチップまたはマシン全体の熱故障につながります。

このような課題に対し、業界では高反発特性を持った熱伝導性素材に徐々に注目が集まっています。しかし、前述したように、従来の熱伝導性材料の開発では、材料の反発特性は以下の要因によって制約され、乗り越えられない障害となっていました。

原材料特性の進化と試験方法の改良により、近年、多くの熱伝導材料メーカーはサーマルパッドの硬度を効果的に制御できるようになり、顧客のさまざまな放熱アプリケーションシナリオに対応できるようになりました。ただし、Shore 00 の硬度範囲内で、特に超高熱伝導率のシナリオにおいて、高反発特性を備えたサーマル インターフェイス材料を製造することは、業界全体にとっての課題です。熱伝導性パウダーの配合量が増加することにより、素材の「パウダー特性」が顕著に表れます。熱伝導率、反発性、ショア00硬度のバランスを図るには、ほぼ「不可能な三角形」となっています。

超高熱伝導率パッドは、十分に高い熱伝導率フィラーの「充填」が必要なため、過酷な環境での長期使用中に材料の機械的特性 (柔らかさと弾力性) が急速に劣化する可能性があり、長期的な信頼性要件を満たすことができません。