Die Bedeutung thermischer Silikonverbindungen im Wärmemanagement
Wussten Sie, dass mehr Wärme die Lebensdauer von Elektronik deutlich verkürzt? Ein Temperaturanstieg von 10 °C kann beispielsweise Elektronikteile beschädigen. Thermische Silikonverbindungen sind Wärmeleitpasten oder -fette. Sie helfen bei der Wärmeregulierung zwischen den Komponenten. Hersteller verwenden sie, um mikroskopische Teile zu füllen, die die Wärme somit effektiv ableiten.
Silikonverbindungen werden üblicherweise verwendet, um Überhitzung und Schäden an verschiedenen Teilen wie CPUs, GPUs und Kühlkörpern zu verhindern. In Serverumgebungen können thermische Silikonverbindungen Hitzeausfälle deutlich eindämmen. Thermische Silikonverbindungen gewährleisten eine Betriebszeit von 99.99 %.
In diesem Artikel besprechen wir thermische Silikonverbindungen und ihre Anwendung zur Aufrechterhaltung optimaler Betriebstemperaturen.
Was sind thermische Silikonverbindungen?
Fast jedes elektronische Gerät erzeugt übermäßige Wärme. Das verlangsamt seine Arbeit. Hersteller verwenden thermische Silikonverbindungen, um dieses Problem zu lösen. Diese Verbindungen verbessern effektiv die Wärmeleitfähigkeit und leiten Wärme ab.
Basissilikonpolymere wie Polydimethylsiloxan (PDMS) und Füllstoffe werden zur Herstellung von thermischen Silikonmassen verwendet. Füllstoffe erhöhen die Wärmeleitfähigkeit des Materials.
Chemische Struktur
PDMS-Material hat eine einfache Struktur mit der chemischen Formel (C2H6OSi)n. Es besteht aus Silikon- und Sauerstoffatomen in einer Kette zusammen mit Methylgruppen (CH₃). Diese Gruppe ist mit Silikon verbunden.
Darüber hinaus fügen die Hersteller Metalloxide, Bornitrid oder Graphenfüllstoffe hinzu. Diese Füllstoffe dienen als Wärmeleitbahnen für eine bessere Wärmeableitung.
Abschnitt (a) zeigt beispielsweise, wie Füllmaterial einen leitfähigen Pfad bildet. Die Abschnitte (b) und (c) zeigen, wie sich der Einfluss unterschiedlicher Füllmaterialhandhabungen auf den Wärmewiderstand ändert (8f/λf für Füllmaterial, 8p/λp für PDMS).
Viskosität und Konsistenz
Viskosität ist der Faktor, der den Fließwiderstand der Flüssigkeit darstellt. Das bedeutet, dass eine höhere Viskosität eine dickere Konsistenz hat. Die Viskosität von thermischen Silikonverbindungen liegt bei etwa 100,000 bis 500,000 cp. Die dickere Konsistenz dieser Verbindungen tropft nicht auf die Oberfläche.
Darüber hinaus sollten Sie wissen, dass die Konsistenz wichtig ist, wenn Sie Verbindungen für eine bessere Wärmeübertragung gleichmäßig auf Oberflächen auftragen möchten.
Wärmeleitfähigkeitsmechanismen
Die Wärmeleitfähigkeit ist der Grad, in dem ein Material Wärme leitet. Sie kann in Watt pro Meter-Kelvin (W/m·K) gemessen werden. Je nach Füllstoffzusatz ist eine Wärmeleitpaste mit einer Leitfähigkeit von 1 bis 10 W/m·K eine gute Wahl.
Wussten Sie, dass Wärme durch thermische Silikonverbindungen im Allgemeinen auf zwei Arten übertragen wird?
- Leitung: Auf diese Weise bewegt sich die Wärme durch das Material selbst.
- Phononentransport: Phononen sind Mikropartikel von Wärmeenergie. Die Zugabe von Füllstoffen wie Graphen verbessert die Transportwege und treibt die Phononen an, um den Wärmefluss zu verbessern.
Herstellungsprozess
Die ersten Schritte der Wärmeleitpastenherstellung umfassen das Einmischen von Füllstoffen in das Basissilizium. Beispielsweise fügen Hersteller Silikonfett Graphen-Nanoplättchen (GNPs) hinzu.
Anschließend verarbeiten sie die Mischung mit einer Hochenergie-Kugelmühle bei 8000 U/min. Diese Verarbeitung dauert bis zu 3 Stunden. Dadurch werden die GNPs gleichmäßig im Material verteilt.
Auf diese Weise erreicht der Hersteller eine bessere Wärmeleitfähigkeit. Er konzentriert sich auch auf die Qualitätskontrolle, um sicherzustellen, dass das Endprodukt optimal funktioniert.
Anwendungen von thermischen Silikonverbindungen
Thermische Silikonverbindungen funktionieren bei vielen Geräten gut. Sie regeln die Wärme besser und leiten überschüssige Wärme ab. Dies ist eine gute Lösung, um die Leistung zu verbessern und die Lebensdauer von Geräten zu verlängern. Sehen Sie sich unten einige Anwendungsbeispiele für thermische Silikonverbindungen an:
● CPU-Kühler
● LED-Beleuchtung
● Leistungselektronik
CPU-Kühler
Hersteller verwenden thermische Silikonverbindungen in Pastenform zwischen den Oberflächen der CPU und ihren Kühlern. Diese Verbindungen füllen nicht nur die Lücken, sondern schaffen auch starke Verbindungen. Sie verbessern die Wärmeableitung und senken die CPU-Temperatur um 10-20 °C. Dadurch arbeiten die Systeme schneller und halten länger.
LED-Beleuchtung
Wie Sie wissen, sind LED-Leuchten eine stetige, ununterbrochene Lichtquelle und erzeugen daher übermäßige Wärme. Deshalb halten Silikonverbindungen in LED-Leuchten diese kühl. Sie verbessern die Helligkeit des Lichts und verlängern seine Lebensdauer auf bis zu 50,000 Stunden.
Leistungselektronik
Leistungselektronik wie Wechselrichter wandeln in vielen Anwendungen wie Solaranlagen, Motoren, Klimaanlagen usw. Gleichstrom in Wechselstrom (AC) um. Sie erhitzen sich während des Betriebs. Silikonverbindungen beheben dieses Problem, indem sie die Hitze reduzieren. Sie verbessern die Geräteeffizienz um 5-10 %, sparen Energie und senken die Kosten.
Anwendungsspezifische Anforderungen
Luft- und Raumfahrt
Das Austreten von Gasen in empfindlichen Teilen der Luft- und Raumfahrtindustrie führt zu schnellen Schäden an diesen Teilen. Ausgasen ist der Prozess, bei dem Materialien eingeschlossene Gase freisetzen, wenn sie einer Art Vakuumumgebung ausgesetzt werden. Silikon-Wärmeleitpasten reduzieren diese Grundrate auf bis zu 1 % Gesamtmassenverlust (TML).
Automobilindustrie
Automobilanwendungen müssen vibrationsfreie Teile enthalten, um reibungslos zu funktionieren. Sie benötigen Materialien, die Vibrationen standhalten. Mit Silikonverbindungen können Ingenieure beispielsweise Vibrationen vermeiden, die bis zum 20-fachen der Schwerkraft betragen. Diese Materialien sorgen für Langlebigkeit.
Consumer Elektronik
Unterhaltungselektronik muss einfach anzuwenden und aus ungiftigem Material bestehen. Dafür bieten thermische Silikonverbindungen eine bessere Konsistenz. Sie bieten eine Viskosität von 100,000–500,000 cP für eine reibungslose Anwendung und sichere Verwendung.
Neue Anwendungen
5G-Infrastruktur:
5G-Geräte werden mit der neuesten Technologie gebaut. Sie erzeugen viel Wärme. Die Verwendung von Silikonverbindungen in diesen Geräten hält sie kühl. Diese Paste füllt die winzigen Lücken und verbessert die Datengeschwindigkeit auf bis zu 10 Gbit/s, was für eine bessere Verbindung sorgt.
Elektrofahrzeuge (EVs):
Hersteller verwenden thermische Silikonverbindungen in Batterien und Motoren von Elektrofahrzeugen. Diese Lösungen regeln die Batterietemperatur, die zwischen 20 und 40 °C schwankt. Sie verbessern außerdem Betriebssysteme und Reichweite um bis zu 15 %.
Vorteile von thermischen Silikonverbindungen
Hochtemperaturstabilität:
Im Allgemeinen können thermische Silikonverbindungen bei Temperaturen von -50 °C bis 250 °C verwendet werden. Die meisten Materialien sind jedoch von ihrer Verwendung und verschiedenen Überlegungen abhängig.
Hersteller stellen bestimmte Qualitäten von Verbindungen wie Shin-Etsu Silicone KE-552-U her, die höheren Temperaturen von bis zu 200 bis 300 °C standhalten. Diese sind ideal für Dichtungen und Versiegelungen im Automobilbereich.
Chemische Resistenz:
Thermische Silikonverbindungen wirken als Barrieren, die verhindern, dass Öle, Säuren und Lösungsmittel in die Oberflächen eindringen. Sie können beispielsweise Schwefelsäure in Konzentrationen über 30 % widerstehen, ohne dass ihre Leistung beeinträchtigt wird.
Witterungsbeständigkeit:
UV-Strahlung wirkt sich direkt auf Geräte im Außenbereich aus. An dieser Stelle werden spezielle Beschichtungen und Materialien wie Silikonverbindungen erforderlich. Insbesondere Wärmeleitpasten sind für die Sonneneinstrahlung geeignet. Sie behalten ihre Leistung über 2,000 Stunden und Luftfeuchtigkeitswerte bis zu 95 % bei.
Hohe Transparenz:
Spezielle Silikonverbindungen emittieren Licht im sichtbaren Frequenzbereich von über 90 %. Diese eignen sich am besten für LED- und optische Geräte, bei denen Klarheit wichtig ist.
Hydrophobie:
Hydrophobie ist die Fähigkeit, Wasser abzuhalten. Grundsätzlich kann sie anhand von Kontaktwinkeln gemessen werden. Bei Silikonverbindungen kann dieser Kontakt bei etwa 110° oder mehr liegen. Sie sind in der Lage, Feuchtigkeit abzuweisen und so die Entstehung von Rost in elektronischen Teilen zu verhindern.
Elektrische Isolierung:
Thermische Silikonverbindungen bieten eine Durchschlagsfestigkeit von 15-20 kV/mm. Dies ist für den sicheren Betrieb von Hochspannungsanwendungen wie der Leistungselektronik erforderlich.
Kompromisse
● Silikonverbindungen mit hoher Wärmeleitfähigkeit (bis zu 10 W/m·K) sind nicht sehr flexibel.
● Ihre Dehnungsraten liegen häufig bei nur 50 %.
● Es kann schwierig sein, eine hohe Wärmeleitfähigkeit und eine hohe Flexibilität in einer Silikonverbindung zu erreichen.
● Silikonverbindungen vertragen hohe Temperaturen, über 200 °C können ihnen jedoch Probleme bereiten.
● Das Ausbalancieren der Wärmeleitfähigkeit und der dielektrischen Eigenschaften in einer Silikonverbindung kann schwierig sein.
Langfristige Zuverlässigkeit
Silikonverbindungen bleiben im Langzeitbetrieb stabil. Sie können über 1,000-maliges Wiederholen von niedrigen bis hohen Temperaturen (-40 °C bis 150 °C) überstehen.
Darüber hinaus brechen oder reißen diese Wärmeleitpasten nicht so leicht und verlieren auch nicht so leicht ihre Haftung. Sie können Kriechen bei Drücken um 100 psi verhindern. Darüber hinaus trocknen Silikon-Wärmeleitpasten selbst nach 10 Jahren Verwendung nur minimal aus.
Vergleich mit anderen Wärmeleitmaterialien
Spezifische Materialbeispiele
| Materialien | Wärmeleitfähigkeit | Temperaturbeständigkeit | Anwendungsbereich | Anwendungen |
|---|---|---|---|---|
| Thermische Silikonverbindungen | Hoch (1-10 W/m·K) | -50 250 ° C auf ° C | Flexibel und einfach zu bedienen | Perfekt für Elektronik (CPU, PCB, Kühlkörper) |
| Bänder auf Acrylbasis | Niedriger (0.5-2 W/m·K) | -20 ° F bis 400 ° F | Einfach anzuwenden und keine längere Aushärtezeit erforderlich | Vorteilhaft bei Geräten mit geringer Leistung (Anbringen von Fahrzeugverkleidungen, Dichtungen) |
| Wärmeleitpads | Mäßig (1-5 W/m²K) | -50-200 ° C | Hilfe beim Füllen großer Lücken | Bestimmte Teile von CPUs, GPUs und Netzteilen |
Haltbarkeitsvergleich
Die meisten Silikonverbindungen, wie z. B. RTV-Silikon, funktionieren auch bei rauem Wetter (bis zu 300 °C) optimal. Sie bieten Stabilität bis 177 °C. Diese Verbindungen vertragen auch feuchte Feuchtigkeit besser als Epoxid oder Polyurethan.
Dies bedeutet jedoch nicht, dass die anderen Anwendungen nicht von Vorteil sind. Sie funktionieren entsprechend den Anforderungen des Projekts. Beispielsweise haftet Epoxidharz fest an Ort und Stelle und Polyurethan bietet eine bessere Flexibilität bei Geräten mit niedrigen Temperaturen.
Leistungsbenchmarking
● Silikonverbindungen haben einen geringen Wärmewiderstand: im Wesentlichen etwa 0.1–0.5 °C·cm²/W. Das macht sie effizient. Denn ein geringerer Widerstand bedeutet eine bessere Wärmebewegung.
● Acrylbänder bieten einen Wärmewiderstand von 0.5–1.5 °C·cm²/W.
● Der Wärmewiderstand in Wärmeleitpads beträgt nur 0.2–0.8 °C·cm²/W.
Kostenüberlegungen
Die Kosten der einzelnen Verbindungen hängen von der Region und anderen Faktoren ab, wie etwa der Zugabe von Füllstoffen und deren Materialien. Die verfügbaren Silikonverbindungen sind im mittleren Preissegment angesiedelt und kosten meist etwa 10–50 pro Kilogramm.
Acrylklebebänder sind inzwischen günstiger (5–20 pro Kilogramm). Wärmeleitpads sind deutlich teurer (20–100 pro Kilogramm).
Auswahlkriterien für thermische Silikonverbindungen
Wärmeleitfähigkeit:
Die Wärmeleitfähigkeitsparameter korrelieren mit der Leistung des Materials bei der Wärmeübertragung. Beispielsweise eignet sich eine Silikonverbindung mit 1–10 W/mK perfekt für Geräte mit hohen Temperaturen.
Viskosität:
Die Viskosität von Wärmeleitpasten bezieht sich auf die Dicke oder Verdünnungsgrade einer Flüssigkeit. Dies kann sich auf die Anwendung auswirken. Eine Viskosität von 100,000 bis 500,000 cP bedeutet beispielsweise, dass die Paste dick genug ist, um fest auf Oberflächen zu haften und sich leicht verteilen zu lassen.
Konsistenz:
Die Konsistenz von Verbindungen zeigt, ob sie klebrig sind. Sie gibt an, wie glatt Verbindungen an manchen Stellen fließen. Eine glatte Flüssigkeit füllt beispielsweise Lücken richtig aus und sorgt für eine gleichmäßige Wärmeübertragung.
Datenblätter
Datenblätter der Hersteller helfen bei der Messung wichtiger Details. Zum Beispiel Dichte (3.1 g/cm³), Porosität (0 %) und maximale Temperaturgrenze (1650 °C). Dieses Blatt hilft Ihnen auch bei der Auswahl des optimalen Materials für Ihre Anforderungen.
Test und Validierung
Thermische Zyklenstabilität: Dieser Test bezieht sich auf die Erfahrungen mit schwankenden Temperaturen, die eine Verbindung aushalten kann. Beispielsweise muss sie auch nach 1,000 Zyklen ihre Leistung beibehalten.
● Kriechen: Dieser Test hilft herauszufinden, ob sich die Verbindung unter Druck zersetzt oder verformt. Eine gute Materialauswahl vermeidet Kriechen, möglicherweise unter 100 psi Druck.
● Austrocknung: Dies bedeutet, dass die Masse mit der Zeit nicht austrocknen darf und mindestens bis zu 10 Jahre haltbar ist.
Formfaktor und Dosierung
Der Formfaktor ist die Gestalt der Verbindung. Es kann sich um eine Paste, ein Pad oder ein Band handeln. Pastenverbindungen sind in vielseitigen Varianten erhältlich. Pads hingegen sind einfach zu verarbeiten.
Beim Dispensieren geht es darum, wie einfach sich eine Verbindung auf Detailteile auftragen lässt. Einfache Anwendungen sparen Zeit, lassen sich leicht verteilen und erfordern weniger Aufwand.
Fazit:
Wärmeleitpasten aus Silikon sorgen für ein optimales Wärmemanagement in elektronischen Bauteilen. Sie bieten verbesserte Wärmeleitfähigkeit, Festigkeit und längere Lebensdauer bei hohen Temperaturen. Achten Sie bei der Auswahl einer Paste auf Viskosität, Konsistenz und Formfaktor, um die besten Ergebnisse zu erzielen. In der LED-Beleuchtung, wo überschüssige Wärme Lebensdauer und Helligkeit erheblich beeinträchtigen kann, bietet Jiuju Wärmemanagementlösungen mit Hochleistungssilikonpasten an. Diese Lösungen unterstützen Hersteller dabei, strenge Leistungsanforderungen zu erfüllen und Produktgarantien zu verlängern.
