Значение термосиликонового компаунда в управлении теплом
Знаете ли вы, что большее количество тепла значительно сокращает срок службы электроники? Например, повышение температуры на 10°C может повредить электронные детали. Термосиликоновые компаунды — это термопаста или смазка. Они помогают в управлении теплом между компонентами. Производители используют их для заполнения микроскопических, которые, таким образом, эффективно рассеивают тепло.
Обычно силиконовые компаунды используются для предотвращения перегрева и повреждения нескольких деталей, таких как ЦП, ГП и радиаторы. В серверных средах термосиликоновые компаунды значительно контролируют отказы из-за тепла. Термосиликоновые компаунды обеспечивают 99.99% времени безотказной работы.
В этой статье мы рассмотрим термосиликоновые компаунды и их применение для поддержания оптимальных рабочих температур.
Что такое термосиликоновые компаунды?
Почти каждое электронное устройство генерирует избыточное тепло. Это замедляет его работу. Производители используют термосиликоновые компаунды для решения этой проблемы. Эти компаунды эффективно улучшают теплопроводность и отводят тепло.
В производстве термостойких силиконовых компаундов используются базовые силиконовые полимеры, такие как полидиметилсилоксан (ПДМС), и наполнители. Наполнители повышают теплопроводность материала.
Химическая структура
Материал PDMS имеет простую структуру с химической формулой (C2H6OSi)n. Он включает атомы кремния и кислорода в цепочке вместе с метильными группами (CH₃). Эта группа связана с кремнием.
Кроме того, производители добавляют наполнители из оксидов металлов, нитрида бора или графена. Эти наполнители работают как пути для лучшего прохождения тепла.
Например, раздел (a) показывает, как наполнитель создает токопроводящий путь. Между тем, части (b) и (c) показывают, как различное управление наполнителем меняет их влияние на тепловое сопротивление (8f/λf для наполнителя, 8p/λp для PDMS).
Вязкость и консистенция
Вязкость — это фактор, который представляет сопротивление жидкости течению. Это означает, что более высокая вязкость имеет более густую консистенцию. Вязкость термического силиконового компаунда составляет около 100,000 500,000–XNUMX XNUMX сП. Более густая консистенция этих компаундов не выпадает на поверхность.
Кроме того, следует знать, что консистенция имеет значение, если вы хотите равномерно нанести состав на поверхность для лучшей теплопередачи.
Механизмы теплопроводности
Теплопроводность — это степень, с которой материал проводит тепло. Это можно измерить в ваттах на метр-кельвин (Вт/м·К). В зависимости от добавки наполнителя, хорошим вариантом будет термопаста с проводимостью от 1 до 10 Вт/м·К.
Знаете ли вы, что тепло обычно проходит через термосиликоновые соединения двумя способами?
- Теплопроводность: Таким образом, тепло перемещается через сам материал.
- Транспорт фононов: Фононы относятся к микрочастицам тепловой энергии. Добавление наполнителей, таких как графен, улучшает пути и подталкивает фононы к улучшению теплового потока.
Производственные процессы
Начальные этапы изготовления термопасты включают смешивание наполнителей с базовым кремнием. Например, производители добавляют нанопластинки графена (GNP) в силиконовую смазку.
Затем они обрабатывают смесь, применяя высокоэнергетическую шаровую мельницу со скоростью 8000 об/мин. Такая обработка продолжается до 3 часов. Она равномерно распределяет GNP в материале.
Таким образом, производитель получает лучшую теплопроводность. Они также уделяют особое внимание контролю качества, чтобы гарантировать наилучшую работу конечного продукта.
Применение термосиликоновых компаундов
Термические силиконовые компаунды хорошо работают во многих частях оборудования. Они лучше управляют теплом, удаляя излишнее тепло. Это хорошее решение для повышения производительности и продления срока службы устройств. Ниже приведены несколько примеров применения термических силиконовых компаундов:
● Кулеры для процессоров
● Светодиодное освещение
● Силовая электроника
Вентиляторы для процессора
Производители используют термосиликоновые компаунды в виде пасты между поверхностями ЦП и его кулеров. Эти компаунды не только заполняют зазоры, но и создают прочные соединения. Они улучшают рассеивание тепла, снижая температуру ЦП на 10-20°C. Это заставляет системы работать быстрее и служить дольше.
Светодиодное освещение
Как вы знаете, светодиодные лампы — это стабильный, непрерывный источник света, поэтому они генерируют избыточное тепло. Вот почему силиконовые соединения в светодиодных лампах сохраняют их прохладными. Они улучшают яркость света и продлевают срок его службы до 50,000 XNUMX часов.
Силовая электроника
Силовая электроника, например инверторы, преобразует постоянный ток в переменный ток (AC) во многих приложениях, таких как солнечные батареи, двигатели, кондиционеры и т. д. Они нагреваются во время работы. Здесь силиконовые компаунды решают эту проблему, уменьшая тепловыделение. Они повышают эффективность устройства на 5-10%, экономя энергию и сокращая расходы.
Требования к конкретному приложению
Аэрокосмическая индустрия
Выделение газа в чувствительных аэрокосмических деталях быстро повреждает их. Выделение газа — это процесс, при котором материалы высвобождают захваченные газы, когда они подвергаются воздействию какой-либо вакуумной среды. Силиконовые термокомпаунды снижают эту базовую скорость до 1% общей потери массы (TML).
Автомобильная
Автомобильные приложения должны быть сделаны так, чтобы содержать виброустойчивые детали для плавной работы. Им нужны материалы, которые могут выдерживать вибрации. Например, используя силиконовые соединения, инженеры могут избегать вибраций, в 20 раз превышающих силу тяжести. Эти материалы обеспечивают долговечность.
Потребительская электроника:
Потребительской электронике нужен легкий в применении и нетоксичный материал. Для этого термические силиконовые компаунды обеспечивают лучшую консистенцию. Они обеспечивают вязкость 100,000 500,000–XNUMX XNUMX сП для плавного нанесения и безопасного использования.
Новые приложения
Инфраструктура 5G:
Устройства 5G созданы с использованием новейших технологий. Они выделяют много тепла. Использование силиконового компаунда в этих устройствах сохраняет их прохладными. Эта паста заполняет крошечные зазоры и повышает скорость передачи данных до 10 Гбит/с, обеспечивая лучшее соединение.
Электромобили (EV):
Производители используют термосиликоновые компаунды в аккумуляторах и двигателях электромобилей. Эти решения контролируют температуру аккумулятора, колеблющуюся от 20 до 40 °C. Они также улучшают операционные системы и диапазон до 15%.
Преимущества термосиликоновых компаундов
Высокотемпературная стабильность:
Как правило, термосиликоновые компаунды могут работать при температурах от -50°C до 250°C. Однако большинство материалов зависят от их использования и ряда других факторов.
Производители выпускают определенные марки компаундов, например Shin-Etsu Silicone KE-552-U, которые выдерживают более высокие температуры до 200–300 °C. Они идеально подходят для автомобильных прокладок и уплотнителей.
Химическая устойчивость:
Термические силиконовые соединения действуют как барьеры, которые не позволяют маслам, кислотам и растворителям проникать внутрь поверхностей. Например, они могут противостоять серной кислоте в концентрациях, превышающих 30%, без ущерба для ее эксплуатационных характеристик.
Устойчивость к погодным условиям:
Воздействие ультрафиолета напрямую влияет на наружные устройства. В этот момент становятся необходимыми специальные покрытия и материалы, такие как силиконовые соединения. В частности, термосоединений справляются с солнечным излучением. Они сохраняют производительность более 2,000 часов и уровень влажности до 95%.
Высокая прозрачность:
Специализированные силиконовые соединения излучают свет в видимом диапазоне частот более 90%. Они лучше всего подходят для светодиодных и оптических устройств, где важна прозрачность.
Гидрофобность:
Гидрофобность — это способность предотвращать попадание воды. По сути, ее можно измерить с помощью контактных углов. В силиконовых соединениях этот контакт может составлять около 110° или более. Они способны отталкивать влагу, предотвращая появление ржавчины в электронных деталях.
Электрическая изоляция:
Термосиликоновые компаунды обеспечивают диэлектрическую прочность 15-20 кВ/мм. Это необходимо для безопасной работы высоковольтных устройств, таких как силовая электроника.
Компромиссы
● Силиконовые соединения, имеющие высокую теплопроводность (до 10 Вт/м·К), не очень гибкие.
● Часто они имеют коэффициент удлинения всего лишь 50%.
● Может быть сложно добиться высокой теплопроводности и высокой гибкости в одном силиконовом компаунде.
● Силиконовые соединения выдерживают высокие температуры, но температура выше 200°C может оказаться для них неприемлемой.
● Добиться баланса теплопроводности и диэлектрических свойств в одном силиконовом компаунде может быть непросто.
Долгосрочная надежность
Силиконовые соединения остаются прочными при длительной эксплуатации. Они могут выдерживать более 1,000 повторных воздействий низких и высоких температур (от -40°C до 150°C).
Кроме того, эти термокомпаунды не ломаются, не трескаются и не теряют адгезию легко. Они могут отражать ползучесть при давлении около 100 фунтов на квадратный дюйм. Кроме того, силиконовые термокомпаунды показывают минимальное высыхание даже после 10 лет использования.
Сравнение с другими материалами термоинтерфейса
Конкретные примеры материалов
| Материалы | Теплопроводность | Стабильность температуры | Применение | Области применения |
|---|---|---|---|---|
| Термические силиконовые компаунды | Высокая (1-10 Вт/м·К) | -50 250 ° C до ° C | Гибкий и простой в использовании | Идеально подходит для электроники (ЦП, печатные платы, радиаторы) |
| Ленты на акриловой основе | Ниже (0.5-2 Вт/м·К) | -20 ° F до 400 ° F | Легко наносится и не требует длительного времени отверждения | Полезно в маломощных устройствах (крепление обшивки автомобиля, прокладки) |
| Термопрокладки | Умеренная (1-5 Вт/м·К) | -50-200 ° С | Помощь в заполнении больших пробелов | Отдельные части ЦП, ГП и блоков питания |
Сравнение долговечности
Большинство силиконовых соединений, таких как силикон RTV, работают лучше всего даже в суровых погодных условиях (до 300°C). Они обеспечивают стабильность до 177°C. Эти соединения также лучше справляются с влажной влажностью, чем эпоксидная смола или полиуретан.
Однако это не означает, что другие приложения невыгодны. Они работают в соответствии с потребностями проекта. Например, эпоксидная смола прочно удерживается на местах, а полиуретан обеспечивает лучшую гибкость в низкотемпературных гаджетах.
Тестирование производительности
● Силиконовые соединения имеют низкое тепловое сопротивление: в основном около 0.1-0.5°C·см²/Вт. Это делает его эффективным. Поскольку меньшее сопротивление означает лучшее тепловое движение.
● Акриловые ленты обеспечивают тепловое сопротивление 0.5–1.5 °C·см²/Вт.
● Тепловое сопротивление термопрокладок составляет всего 0.2–0.8 °C·см²/Вт.
Стоимость соображений
Стоимость каждого соединения зависит от региона и других факторов, таких как добавление наполнителей и их материалов. Каким-то образом доступные силиконовые соединения имеют умеренную цену, в основном около 10−50 за килограмм.
Между тем, акриловые ленты стоят дешевле (5–20 за килограмм). Термопрокладки стоят гораздо дороже (20–100 за килограмм).
Критерии выбора термосиликоновых компаундов
Теплопроводность:
Параметры теплопроводности коррелируют с эффективностью передачи тепла материалом. Например, силиконовый компаунд с показателем 1-10 Вт/мК отлично подходит для устройств с высоким нагревом.
Вязкость:
Вязкость в термопастах относится к густоте или более тонким уровням жидкости. Это может повлиять на ее применение. Например, вязкость от 100,000 500,000 до XNUMX XNUMX сП означает, что она достаточно густая, чтобы прочно удерживаться на поверхности и легко наносится.
Консистенция:
Консистенция соединений показывает липкость. Она говорит о том, насколько плавно соединения текут в местах. Например, гладкая жидкость хорошо заполняет щели и обеспечивает равномерную передачу тепла.
Паспорта
Паспорта производителей помогают в измерении важных деталей. Например, плотность (3.1 г/см³), пористость (0%) и максимальный температурный предел (1650°C). Этот паспорт также поможет вам выбрать оптимальный материал для ваших нужд.
Тестирование и проверка
Устойчивость к термоциклированию: этот тест относится к опыту колебаний температур, которые может выдержать компаунд. Например, он должен сохранять производительность даже после 1,000 циклов.
● Ползучесть: Этот тест помогает узнать, деградирует ли соединение или деформируется под давлением. Хороший материал избегает ползучести, возможно, при давлении 100 фунтов на квадратный дюйм.
● Высыхание: это означает, что состав не должен высыхать со временем и сохранять свои свойства не менее 10 лет.
Форм-фактор и дозирование
Форм-фактор — это форма компаунда. Это может быть паста, прокладка или лента. Пастообразные компаунды доступны в универсальных вариантах. Между тем, прокладки просты в работе.
Дозирование относится к тому, насколько легко можно нанести состав на детализированные детали. Легкое нанесение экономит время, легко распределяется и требует меньше усилий.
Вывод:
Термостойкие силиконовые компаунды эффективно отводят тепло в электронных компонентах. Они обеспечивают лучшую теплопроводность, прочность и увеличенный срок службы при высоких температурах, а также стабильность при высоких температурах. Для достижения оптимальных результатов выбирайте компаунд, ориентируясь на вязкость, консистенцию и форму. В светодиодном освещении, где избыточное тепло может значительно повлиять на срок службы и яркость, компания Jiuju предлагает решения по терморегулированию , включающие высокоэффективные силиконовые компаунды. Эти решения помогают производителям соответствовать строгим требованиям к производительности и продлевать гарантию на продукцию.
