A szilikonmentes hővezető anyagok minden olyan akkumulátorcsomagban helyet kapnak, ahol a szilikon szivárgása vagy gázkipárolgása veszélyeztetné a cella és a hűtőfolyadék közötti hőutat. Egy csomag hőmérnöke számára a kérdés szűk látókörű. Vajon ez az összeállítás olyan felületeket, érzékelőket vagy ragasztott kötéseket tart meg, amelyeket a szilikonszennyeződés leronthat? És vajon a szilikonmentes kémia képes-e fenntartani a hővezető képességet a résekben és az öregedésben, amelyet a modul tapasztalni fog? Ez a cikk bemutatja, hogy milyen fejlesztések történtek valójában a szilikonmentes technológiában. termikus határfelületi anyagok, hogyan viszonyulnak a szilikon típusokhoz a kiválasztást befolyásoló változók tekintetében, és hol illeszkednek egy folyadékhűtéses elektromos járműbe vagy energiatároló csomagba.
Miért veszélyezteti a szilikon szivárgása és gázképződése az akkumulátor hő útját?
A szilikon hővezető anyagok visszatérő meghibásodási módja a migráció. A kis molekulatömegű sziloxánok hő, nyomás és alacsony nyomás hatására elpárologhatnak vagy elszivároghatnak, majd újra lerakódhatnak a közeli felületeken. Egy akkumulátormodulban a hőút a cellafaltól a csatlakozóanyagon keresztül egy hideg lemezig vezet. A hideg lemez tömítőfelületére, az érzékelőlencsére vagy a nyomtatott áramköri lapra bekúszó olaj csökkentheti a felületi ellenállást és az átütési feszültséget, vagy zavarhatja a későbbi kötést és tisztítást. Számos anyagforrás írja le ugyanezt a mechanizmust, ami tervezési korláttá teszi a szilikonérzékeny szerelvények tervezését.
A szennyeződés-szabályozás a gyakorlati ok, amiért egy gyártósor szilikonmentes vegyszereket írhat elő. Ahol a szilikon alapú és a szilikonmentes folyamatok közös szerszámozást használnak, a kivérzett sziloxán elszennyezheti a forrasztási kötéseket és a ragasztási kötéseket a nem kapcsolódó alkatrészeken. Egy csapat ezután választhat szilikonmentes, alacsony VOC-tartalmú készítményeket, ha a downstream kötési vagy tisztasági szabályok szigorúak. A mozgatórugó a folyamat tisztasága és a javíthatóság. Azok az állítások, miszerint a szilikon egy rögzített ppm-határértéknél mérgező, itt nem alátámasztottak, és azokat egy szabványügyi testülettel kell összevetni, mielőtt megismételnék azokat.
A szilikon továbbra is megfelel a legtöbb általános elektronikai anyagnak, így a választás forgatókönyv-alapú. Amikor egy modulnak nincsenek szabadon lévő optikái, nincsenek szivárgásra érzékeny érzékelői és nincs olyan alsóbb kötése, amelyet a kóbor olaj megrongálhatna, a hagyományos szilikon anyagok, mint például a hővezető szilikonzsír vagy szilikonbetét továbbra is ésszerű marad. A szilikonmentesség melletti érvek egyre inkább felmerülnek, ahogy egy összeszerelés szennyeződésre érzékeny felületeket vagy szigorúbb tisztasági szabályokat ad hozzá.
Milyen változásokat okoz a “szilikonmentes” eljárás a TIM kémiájában?
“A ”szilikonmentes” kifejezés a mátrixot jelöli, nem a töltőanyagot, így az anyag hővezető része nagyrészt változatlan marad. Ezek a rendszerek a polisziloxán gerincet akril, poliuretán vagy szilil-módosított polimer kémiai anyagokkal helyettesítik. A hővezető képesség továbbra is a mátrixban diszpergált kerámia vagy fém töltőanyagokból származik. A szilikon elhagyása tehát önmagában nem növeli vagy csökkenti a vezetőképességet; a töltőanyag kémiája és a betöltés igen.
A formátumválaszték nagyrészt tükrözi a szilikon kínálatot, ami ismerős összeszerelési módszereket biztosít. A szilikonmentes vegyi anyagok réstöltők, réspárnák, hővezető ragasztók és zsírok formájában kaphatók. Egy csapat általában egy meglévő folyamathoz tud igazodni, legyen szó akár egy form-in-place töltőanyag adagolásáról, akár stancolt darabok elhelyezéséről. hőtárolók. A kikeményedési viselkedés a kémiai összetételtől függően változik: egyes szilikonmentes rendszerek nem kikeményednek, és azonnal bekapcsolhatók, míg a reaktív kétkomponensű ragasztók a nyitott időt a szerkezeti kötésszilárdság érdekében cserélik el.
A kutatási fázisban lévő kémiai eljárások célja a vezetőképesség növelése a töltőanyag-hálózat módosításával. A vizsgált rendszerek közé tartoznak az orientált kerámia vagy szén útvonalak, a határfelületi adhézió szempontjából vizsgált poli(ionos folyadék) mátrixok, valamint folyékony hővezető anyagok amelyek folyékony fémet szilárd részecskékkel egyesítenek, hogy egy vezetőképes hálózatot tartsanak össze. Ezek figyelendő utasítások, nem pedig végleges specifikációk. Bármely bejelentett vezetőképességi vagy modulusértéket nem megerősítettnek kell tekinteni, amíg egy adatlap és egy második forrás nem támasztja alá.
Szilikonmentes vs. szilikon TIM-ek: Kompromisszumok az ellenőrzéshez
A szilikonmentes minőségek általában segítenek a szennyeződés és a dielektromos viselkedés terén, de hosszú távon ronthatják a megfelelőséget, és minden tendenciát minőségi szinten kell ellenőrizni. A táblázat a tipikus tendenciákat és kockázatokat sorolja fel, amelyeket egy adatlapon ellenőrizni kell, nem az anyagcsalád rögzített tulajdonságait. Bármely cellában lévő érték a pontos minőségtől és annak vizsgálati körülményeitől függ.
| Változó | Szilikon alapú (tipikus) | Szilikonmentes (tipikus, osztályonként ellenőrizhető) |
|---|---|---|
| Szennyeződés / gázkibocsátás | Sziloxán kiválás és migráció hő és nyomás hatására | Alacsonyabb vérzés, ahol a sziloxán migrációja a kontroll kockázat |
| Dielektromos viselkedés | Megfelelő; az öregedéssel változhat | Néhány tesztelt minőség esetében jobb szigetelésről számoltak be |
| Viselkedés magas hőmérsékletű öregítés után | Gyakran viszkózus marad | Néhány tesztelt minőség megkeményedik vagy rideggé válik |
| Hővezető képesség | Töltőanyaggal, nem mátrixszal meghatározott | Töltőanyaggal, nem mátrixszal meghatározott |
| Hőmérséklet-tartomány | Széles, kémiától függő | Osztálytól függ; erősítse meg az adatlapon |
Az öregedési viselkedés a leggyakrabban félreértelmezett kompromisszum, ezért ellenőrzési útvonalra van szükség. Egy 2000 órás, magas hőmérsékletű, 125 °C-on történő tárolási és öregítési expozíció során, amelyet a *Materials* folyóiratban publikáltak, egy szilikonmentes réstöltő megkeményedett, míg a szilikon alapú anyag viszkoelasztikus maradt. A szilikonmentes minta jobb dielektromos viselkedést is mutatott szigeteléskritikus felhasználás esetén. Ez az eredmény lefedi a tárolási-öregedési körülmények között tesztelt két minőséget. Nem terjed ki minden szilikonmentes termékre vagy magas-alacsony hőciklusokra. A gyakorlati lépés az, hogy minősítsük az öregített keménységet és a kötésvonal viselkedését az adott minőségre, nem pedig az, hogy feltételezzük, hogy azok megmaradnak.
A vezetőképesség-összehasonlítások hordozzák a legnagyobb mítoszt, és érdemes ezt közvetlenül helyreigazítani. Mert hézagpárna hővezető képessége A töltőanyag típusát és a terhelést követően a szilikonmentes minőség nem eredendően jobb vagy alacsonyabb vezetőképességű, mint a szilikonból készült. Mindkettő széles tartományban formulálható. Minden olyan állítást, miszerint a szilikonmentes anyagok automatikusan felülmúlják a szilikonzsírt vagy -betéteket, minőségspecifikusnak kell értelmezni.
Szilikonmentes TIM illesztése a cellától a hűtőfolyadékig tartó folyamathoz
A szilikonmentes TIM kiválasztása egy csomaghoz a résmérettel kezdődik, mivel a rés határozza meg az anyagosztályt. A cella vagy modul és a hideglemez közötti határfelületi rést és felületi síkságot az anyag engedékenységéhez kell igazítani. A széles, egyenetlen rések a formázható réstöltőket részesítik előnyben, amelyek alacsony nyomás alatt kitöltik az üregeket, míg a vékony, lapos határfelületekhez vékonyabb betét vagy kinyomott fólia is elegendő. Az eltérés itt csapdába esett levegőként és forró pontokként jelentkezik, ezért a formátum rögzítése előtt ellenőrizze a legrosszabb esetben előforduló rést.
Az összeszerelési feszültség és az automatizálás ugyanúgy befolyásolja a formátumot, mint a hőteljesítmény. Egy alacsony modulusú, szilikonmentes töltőanyag, amely minimális kötési vonallá préseli össze anélkül, hogy terhelné a kényes cellákat, többet érhet, mint egy marginálisan nagyobb vezetőképességű anyag, amely nagy szorítóerőt igényel. Egy adagolható, helyben formázható anyag az automatizált csomagolósorokhoz is jobban illeszkedik, mint a kézzel elhelyezett betétek. Ahol a csatlakozási felület szerkezeti terhelést is hordoz, a szilikonmentes hővezető ragasztó a kötési szilárdság és a kötési ütemterv felé tolja el a döntést, ami aztán korlátozza az ütemidőt.
A kikeményedés, a szervizelhetőség és a szigetelés korlátozza a választékot, és ezek kapcsolódnak a csomagok életciklus-céljaihoz. A nem kikeményedő töltőanyag lehetővé teszi az azonnali teljesítménytesztet. A reaktív ragasztó rögzül a helyén, de megnehezíti az utólagos megmunkálást és az élettartam végén történő szétszerelést, ami fontos szempont, mivel a csomagokat erre tervezték. akkumulátorbiztonság és folyadékhűtés, szervizelhetőség és újrahasznosítás. Mivel a legtöbb csomaginterfésznek elektromosan is el kell szigetelnie a cellát a hideglemeztől, az egyes tulajdonságoknak megfelelő mechanikai, geometriai és dielektromos vizsgálatokkal kell megerősítenie a dielektromos szilárdságot az öregített, préselt kötési vonalon. Az öregítési expozíció, mint például a JEDEC JESD22-A103E, meghatározza azokat a tárolási feltételeket, amelyek előtt és után ezeket a különálló vizsgálatokat lefuttatják. Önmagában nem méri a keménységet, a kötési vonal vastagságát vagy a dielektromos szilárdságot. E négy változó együttes ellenőrzése biztosítja a szilikonmentes választást a modul teljes élettartama alatt.
Ahol a szilikonmentes TIM-ek megfelelőek
A szilikonmentes kémia ott alkalmazható, ahol a tisztasági szabályok és a gyártási korlátok már eleve eltérnek a szilikontól. Az elektromos járművek és az energiatároló csomagok ilyen esetek. Amikor egy terv a szobahőmérséklethez közeli cellahőmérsékletet célozza meg, és a felső cellahatárok felé történő tartós eltéréseket élet- és biztonsági kockázatnak tekinti, a csatlakozóanyagnak ki kell bírnia a hőciklusokat anélkül, hogy elszennyezné a hideg lemezeket, érzékelőket vagy ragasztott illesztéseket. Az akkumulátoros energiatároló rendszerek ugyanazokkal a tényezőkkel szembesülnek nagyobb léptékben, ezért a szilikonmentes réstöltők és ragasztók gyakori megoldást jelentenek a csomagok hőtervezésében.
Az akkumulátorokon túl ugyanez a vonzerő érvényesül minden szilikonérzékeny szerelvényben. Az optikai, érzékelő, orvosi és repülőgépipari hardverek ellenállhatnak a szivárgásnak vagy a gázkiáramlásnak, ezért a szilikonmentes anyagokat ezekre a felhasználási területekre használják a csomagoláson belüli szennyeződés miatt. A mérnöki logika akkor is érvényesül, ha a hőmérséklet- és réskorlátok alkalmazásonként eltérőek.
Az anyagtudomány oldalán a rövid távú fejlődés fokozatos és töltőanyag-vezérelt. A nanofiller-erősítés, az orientált vezetőképes útvonalak és a folyékony-fém hibridek mindegyike a vezetőképesség növelését célozza a megfelelőség fenntartása mellett, és mindegyik ugyanazzal a minősítési küszöbbel néz szembe az öregedés, a szigetelés és a gyárthatóság terén. Ezen minősítési adatok nyomon követése megbízhatóbb mérőszáma a fejlődésnek, mint a vezetőképességi adatok.
Következtetés
A szilikonmentes hővezető anyagok alapvető megítélése az, hogy elsősorban a szennyeződés és a tisztaság, másodsorban pedig a vezetőképesség kérdése. Akkor kell meghatározni ezeket a tulajdonságokat, ha egy csomagolás szilikonérzékeny felületekkel, szigorú gyártási szabályokkal vagy olyan szervizelhetőségi és szigetelési igényekkel rendelkezik, amelyeket a szilikon kivérzése aláásna, és maradjon a szilikonnál, ha ezek a nyomások egyike sem áll fenn. A leggyakrabban félreértelmezett tulajdonság az öregedés. Mivel egyes szilikonmentes minőségek idővel megkeményednek, minősítse az öregedési keménységet, a kötési vonal vastagságát és az átütési szilárdságot az adott minőséghez. Használjon elismert tárolási-öregedési expozíciós kitettséget, például a JEDEC JESD22-A103E-t állapotként, és a mérésekhez végezze el a megfelelő mechanikai és dielektromos vizsgálatokat. Az anyagnak a rés, az összeszerelési feszültség, a kikeményedés és a szigeteléshez való illesztése az, ahol az Trumonytechs' átmeneti anyagoknak és a hideglemezes kialakításoknak együtt kell működniük.
GYIK
Szükségem van szilikonmentes réstöltőre egy elektromos jármű akkumulátorcsomaghoz, vagy a szilikon elfogadható?
A szennyeződésérzékenység dönti el ezt, nem maga az akkumulátor. Szilikonmentes töltőanyagot kell használni, ha a csomag kifolyásra érzékeny érzékelőkkel, tömítőfelületekkel vagy ragasztott illesztésekkel rendelkezik, vagy ha a gyártósor szilikonmentes, alacsony VOC-tartalmú szabályokat ír elő. Ahol ezek egyike sem érvényes, egy jól megválasztott szilikon anyag is működhet.
A szilikonmentes TIM elveszíti a hővezető képességét vagy rideggé válik a hőöregítés után?
Egyes minőségek az idő múlásával keményednek, ezért ezt az adott termékre vonatkozóan ellenőrizni kell. Egy, a JEDEC JESD22-A103E szabvány szerint publikált 2000 órás, 125 °C-os magas hőmérsékletű tárolási öregítési vizsgálat kimutatta, hogy a szilikonmentes réstöltő megkeményedett, míg a szilikon réstöltő viszkoelasztikus maradt. Ezért az öregített mechanikai és dielektromos viselkedést minőségenként kell minősíteni.
A szilikon gázkiáramlása beszennyezheti a hűtőlemezt, a cellákat vagy a NYÁK-ot egy modulban?
Igen, és ez a kockázat a szilikonmentes anyagok létezésének fő oka. A kis molekulatömegű sziloxánok hő és nyomás hatására a tömítőfelületekre, érzékelőkre vagy áramköri lapokra kerülhetnek, csökkentve a felületi ellenállást és az átütési feszültséget, vagy rontva a későbbi kötést és tisztítást.
A szilikonmentes TIM-ek mindig jobban vezetik az áramot, mint a szilikonosak?
Nem; a vezetőképesség a töltőanyag típusától és a betöltöttségtől függ, nem pedig attól, hogy a mátrix szilikonmentes-e. Mindkét kémiai anyag széles vezetőképességi tartományban formulálható, ezért az anyagcsaládok helyett az egyes anyagokat hasonlítsa össze.
További olvasmányok
- Összehasonlító vizsgálat a hőöregedés hatásáról szilikon alapú és szilikonmentes hővezető réstöltő anyagokon (folyóirat *Materials*, 2021) — Szakértők által lektorált, magas hőmérsékletű tárolási öregedési tanulmány (JEDEC JESD22-A103E), amely alátámasztja a fenti edzési és dielektromos kompromisszumokat; a két tesztelt minőségre vonatkozik, nem minden szilikonmentes anyagra.
Kapcsolódó cikkek
- Kerámia hővezető paszta: Mi ez, hogyan működik és mikor kell használni — Elmagyarázza, hogyan működik a kerámia töltésű paszta, és mikor megfelelő, hasznos a töltőanyag-lehetőségek mérlegelésekor egy köztes réteg esetében.
- Vezetőképes vs. nem vezetőképes hővezető paszta: Kiválasztási útmutató — Segít eldönteni, hogy mikor kell a cella-hideglemez interfésznek elektromosan elszigeteltnek maradnia.
- Fázisváltó hővezető pad: átmeneti sáv, szorítónyomás és kötési vonal — Lefedi a fázisváltó betéteket, valamint az azokat szabályozó szorítónyomás- és kötésvonal-változókat.
- Hővezető anyagok típusai és jellemzői — Feltérképezi a fő TIM osztályokat és azt, hogy mindegyik hol helyezkedik el egy termikus útvonalon.
- Hőpaszta alternatíva: Mérnöki opciók és hogyan válasszuk ki — Áttekinti a ragasztáshoz tervezett alternatívákat és a köztük való választás módját.
