Siliconenvrije thermische geleidbaarheidsmaterialen verdienen hun plaats in een accupakket overal waar siliconenlekkage of -ontgassing de warmteoverdracht tussen de cel en de koelvloeistof in gevaar zou brengen. Voor een thermisch ingenieur in accupakketten is de vraag specifiek: bevat deze constructie oppervlakken, sensoren of gelijmde verbindingen die door siliconenverontreiniging kunnen worden aangetast? En kan een siliconenvrije chemie de thermische geleidbaarheid behouden over de openingen en tijdens de veroudering van de module? Dit artikel behandelt de daadwerkelijke vooruitgang op het gebied van siliconenvrije materialen. thermische interfacematerialen, Hoe ze zich verhouden tot siliconenvarianten op de variabelen die de selectie bepalen, en waar ze passen in een vloeistofgekoelde elektrische auto of energieopslagsysteem.
Waarom het vrijkomen en ontgassen van siliconen de warmtegeleiding van de batterij bedreigen.
Een veelvoorkomend probleem bij siliconen thermische interface materialen is migratie. Laagmoleculaire siloxanen kunnen onder invloed van hitte, compressie en lage druk verdampen of uitlekken en zich vervolgens opnieuw afzetten op nabijgelegen oppervlakken. In een batterijmodule loopt het warmtepad van de celwand door het interface materiaal naar een koelplaat. Olie die op het afdichtingsvlak van een koelplaat, een sensorlens of een printplaat terechtkomt, kan vervolgens de oppervlakteweerstand en doorslagspanning verlagen of latere hechting en reiniging verstoren. Verschillende materiaalleveranciers beschrijven hetzelfde mechanisme, waardoor het een ontwerpbeperking is waarmee rekening moet worden gehouden bij siliconen-gevoelige assemblages.
Contaminatiebeheersing is de praktische reden waarom een productielijn siliconenvrije chemicaliën kan voorschrijven. Wanneer siliconengebaseerde en siliconenvrije processen dezelfde gereedschappen gebruiken, kan vrijgekomen siloxaan soldeerverbindingen en lijmverbindingen op niet-gerelateerde onderdelen vervuilen. Een team kan dan kiezen voor siliconenvrije formuleringen met een laag VOC-gehalte wanneer er strenge eisen gelden voor de hechting of reinheid van de volgende stappen. De drijfveer is procesreinheid en repareerbaarheid. Beweringen dat siliconen giftig zijn bij een vaste limiet van delen per miljoen worden hier niet ondersteund en dienen te worden getoetst aan de eisen van een normeringsinstantie voordat ze worden herhaald.
Siliconen zijn nog steeds geschikt voor de meeste algemene elektronica, dus de keuze hangt af van de situatie. Wanneer een module geen blootliggende optische componenten, geen lekgevoelige sensoren en geen downstream-verbindingen heeft die door olie kunnen worden aangetast, zijn conventionele siliconenmaterialen zoals een thermisch geleidend siliconenvet Of siliconen pads blijven een redelijke optie. De argumenten voor het vermijden van siliconen worden sterker naarmate een assemblage oppervlakken bevat die gevoelig zijn voor vervuiling of strengere hygiënevoorschriften hanteert.
Welke veranderingen in de TIM-chemie ondergaat het gebruik van siliconen?
“"Siliconenvrij" beschrijft de matrix, niet de vulstof, waardoor het warmtegeleidende deel van het materiaal grotendeels onveranderd blijft. Bij deze systemen wordt de polysiloxaan-ruggengraat vervangen door acryl-, polyurethaan- of silyl-gemodificeerde polymeerchemie. De thermische geleidbaarheid is nog steeds afkomstig van keramische of metalen vulstoffen die in die matrix zijn verspreid. Het weglaten van siliconen heeft daarom op zichzelf geen invloed op de geleidbaarheid; de samenstelling en de hoeveelheid vulstof bepalen dit.
De beschikbare formaten komen grotendeels overeen met het siliconenassortiment, waardoor de montagemethoden vertrouwd blijven. Siliconenvrije chemicaliën zijn verkrijgbaar als vulmiddelen, tussenlagen, thermisch geleidende lijmen en vetten. Een team kan doorgaans een bestaand proces nabootsen, of dat nu betekent het aanbrengen van een vormvulmiddel of het plaatsen van gestanste onderdelen. thermische pads. Het uithardingsgedrag varieert afhankelijk van de chemische samenstelling: sommige siliconenvrije systemen harden niet uit en maken een onmiddellijke activering mogelijk, terwijl reactieve tweecomponentenlijmen een langere verwerkingstijd inruilen voor een hogere hechtsterkte.
Chemische processen in de onderzoeksfase zijn erop gericht de geleidbaarheid te verhogen door het vulstofnetwerk te optimaliseren. Onderzochte systemen omvatten georiënteerde keramische of koolstofpaden, poly(ionische vloeistof)matrices die worden onderzocht op interfaciale hechting, en vloeibare thermische interface materialen die vloeibaar metaal combineren met vaste deeltjes om een geleidend netwerk bijeen te houden. Dit zijn richtlijnen om in de gaten te houden, geen vastgestelde specificaties. Beschouw elke gerapporteerde geleidbaarheids- of moduluswaarde als onbevestigd totdat een datasheet en een tweede bron deze ondersteunen.
Siliconenvrije versus siliconen TIM's: afwegingen om te controleren
Siliconenvrije kwaliteiten hebben de neiging om verontreiniging en diëlektrisch gedrag te verminderen, maar kunnen op de lange termijn minder goed voldoen aan de eisen. Elke eigenschap moet op het betreffende kwaliteitsniveau worden gecontroleerd. De tabel geeft een overzicht van typische eigenschappen en risico's die op een datasheet moeten worden gecontroleerd, en niet van vaste eigenschappen van de materiaalfamilie. De waarde in elke cel is afhankelijk van de exacte kwaliteit en de testomstandigheden.
| Variabele | Op siliconenbasis (typisch) | Siliconenvrij (doorgaans, controleer per kwaliteit) |
|---|---|---|
| Verontreiniging / ontgassing | Siloxaanuitstroom en -migratie onder hitte en compressie | Lagere bloeding waarbij siloxaanmigratie het bepalende risico is |
| Diëlektrisch gedrag | Voldoende; kan veranderen met de leeftijd. | Voor sommige geteste kwaliteiten werd een betere isolatie gerapporteerd. |
| Gedrag na veroudering bij hoge temperatuur | Blijft vaak visco-elastisch. | Sommige geteste soorten worden hard of broos. |
| Thermische geleidbaarheid | Vastgezet door vulmiddel, niet door matrix. | Vastgezet door vulmiddel, niet door matrix. |
| Temperatuurbereik | Breed, afhankelijk van de chemie | Kwaliteitsafhankelijk; controleer dit op het productinformatieblad. |
Verouderingsgedrag is de afweging die het vaakst verkeerd wordt voorgesteld, en daarom is een verificatieproces nodig. In een verouderingstest van 2000 uur bij een hoge temperatuur van 125 °C, uitgevoerd volgens JEDEC JESD22-A103E en gepubliceerd in het tijdschrift *Materials*, bleek een siliconenvrije voegvuller te verharden, terwijl het materiaal op siliconenbasis visco-elastisch bleef. Het siliconenvrije monster vertoonde ook een beter diëlektrisch gedrag voor isolatiekritische toepassingen. Dit resultaat geldt voor de twee geteste kwaliteiten onder deze verouderingsomstandigheden. Het is niet van toepassing op elk siliconenvrij product of op thermische cycli met hoge en lage temperaturen. De praktische stap is om de hardheid en het hechtingsgedrag na veroudering voor de specifieke kwaliteit te kwalificeren, en niet om aan te nemen dat deze waarden behouden blijven.
Vergelijkingen van geleidbaarheid bevatten de grootste misvatting, en het is de moeite waard om die direct recht te zetten. Want thermische geleidbaarheid van het spleetkussen Afhankelijk van het type vulstof en de hoeveelheid, is een siliconenvrije variant niet inherent beter of slechter geleidend dan een siliconenvariant. Beide varianten kunnen in een breed scala aan samenstellingen worden geproduceerd. Elke bewering dat siliconenvrije materialen automatisch beter presteren dan siliconenvet of -pads, moet worden gezien als specifiek voor de betreffende variant.
Een siliconenvrije thermische pasta kiezen die past bij het traject van de koelvloeistof naar de cel.
Bij de keuze voor een siliconenvrije TIM voor een koelpakket begint het met de spleetbreedte, omdat deze de materiaalklasse bepaalt. Stem de spleetbreedte en de vlakheid van het oppervlak tussen de cel of module en de koelplaat af op de flexibiliteit van het materiaal. Brede, ongelijkmatige spleten zijn geschikt voor een flexibele spleetvuller die holtes vult onder lage druk, terwijl dunne, vlakke interfaces een dunnere pad of een aangebrachte film kunnen gebruiken. Een mismatch hier uit zich in ingesloten lucht en hotspots, dus controleer de spleetbreedte in het slechtste geval voordat u een formaat vastlegt.
Montagestress en automatisering bepalen de vorm net zo sterk als de thermische waarden. Een siliconenvrije vulstof met een lage modulus die tot een minimale hechtlijn comprimeert zonder delicate cellen te belasten, kan waardevoller zijn dan een marginaal hogere geleidbaarheid die een hoge klemkracht vereist. Een doseerbaar, vormvast materiaal is bovendien beter geschikt voor geautomatiseerde verpakkingslijnen dan handmatig aangebrachte pads. Waar de interface ook structurele belasting draagt, verschuift een siliconenvrije, thermisch geleidende lijm de beslissing naar hechtsterkte en uithardingsschema, wat vervolgens de takttijd beperkt.
Uitharding, bruikbaarheid en isolatie maken de selectie compleet en zijn gekoppeld aan de doelstellingen voor de levensduur van het pakket. Een niet-uithardende vulstof maakt een onmiddellijke vermogenstest mogelijk. Een reactieve lijm fixeert de vulstof, maar bemoeilijkt herstelwerkzaamheden en demontage aan het einde van de levensduur, een belangrijke factor bij het ontwerp van pakketten voor... Batterijveiligheid en vloeistofkoeling, bruikbaarheid en recycling. Omdat de meeste pack-interfaces de cel ook elektrisch moeten isoleren van de koelplaat, moet de diëlektrische sterkte van de verouderde, gecomprimeerde bondlijn worden bevestigd met behulp van de mechanische, geometrische en diëlektrische tests die geschikt zijn voor elke eigenschap. Een verouderingstest zoals JEDEC JESD22-A103E stelt de opslagconditie vast vóór en na welke deze afzonderlijke tests worden uitgevoerd. Deze test meet op zichzelf niet de hardheid, de dikte van de bondlijn of de diëlektrische sterkte. Door deze vier variabelen samen te controleren, blijft de keuze voor een siliconenvrije module gedurende de gehele levensduur van de module gerechtvaardigd.
Waar siliconenvrije TIM's passen
Siliconenvrije chemie is geschikt voor toepassingen waar hygiënevoorschriften en productiebeperkingen al wijzen op het afzien van siliconen. Batterijpakketten voor elektrische voertuigen en energieopslag zijn daar een voorbeeld van. Wanneer een ontwerp gericht is op celtemperaturen rond kamertemperatuur en langdurige temperatuurschommelingen richting de bovengrens van de celtemperatuur als een risico voor leven en veiligheid worden beschouwd, moet het interfacemateriaal bestand zijn tegen thermische cycli zonder de koelplaten, sensoren of gelijmde verbindingen te vervuilen. Batterij-energieopslagsystemen worden geconfronteerd met dezelfde uitdagingen, maar dan op grotere schaal, waardoor siliconenvrije vulmiddelen en lijmen een veelgebruikte optie zijn in thermische ontwerpen voor batterijpakketten.
Naast batterijen geldt dezelfde aantrekkingskracht voor elke siliconengevoelige component. Optische, sensor-, medische en ruimtevaartcomponenten kunnen gevoelig zijn voor het vrijkomen van siliconen of ontgassing, waardoor siliconenvrije materialen de voorkeur genieten vanwege de mogelijke verontreiniging die zich binnenin een batterijpakket voordoet. Deze technische logica blijft van toepassing, ook al verschillen de temperatuur- en spleetbeperkingen per toepassing.
Op het gebied van materiaalkunde is de vooruitgang op korte termijn stapsgewijs en afhankelijk van vulstoffen. Nanoversterking, georiënteerde geleidende paden en vloeibaar-metaalhybriden zijn er elk op gericht de geleidbaarheid te verhogen met behoud van de flexibiliteit, en elk moet nog steeds aan dezelfde kwalificatie-eisen voldoen met betrekking tot veroudering, isolatie en produceerbaarheid. Het bijhouden van deze kwalificatiegegevens is een betrouwbaardere graadmeter voor de vooruitgang dan de algemene geleidbaarheidscijfers.
Conclusie
De kernoverweging bij siliconenvrije thermische interfacematerialen is dat de keuze in de eerste plaats gebaseerd is op verontreiniging en reinheid, en pas in de tweede plaats op geleidbaarheid. Specificeer ze wanneer een verpakking siliconengevoelige oppervlakken heeft, er strenge productievoorschriften gelden of er eisen zijn aan de bruikbaarheid en isolatie die siliconenlekkage zouden ondermijnen. Blijf bij siliconen wanneer deze eisen niet van toepassing zijn. De eigenschap die het vaakst verkeerd wordt geïnterpreteerd, is veroudering. Omdat sommige siliconenvrije soorten na verloop van tijd uitharden, moet de hardheid na veroudering, de dikte van de verbindingslaag en de diëlektrische sterkte voor de specifieke soort worden bepaald. Gebruik een erkende blootstellingstest voor opslagveroudering, zoals JEDEC JESD22-A103E, als referentieconditie en de juiste mechanische en diëlektrische tests voor de metingen. Het afstemmen van het materiaal op de spleetbreedte, de montagespanning, de uitharding en de isolatie over het warmtepad is waar Trumonytechs'-interfacematerialen en koelplaatontwerpen samenwerken.
FAQ
Heb ik een siliconenvrije afdichtingskit nodig voor een accupakket van een elektrische auto, of is siliconen wel acceptabel?
De gevoeligheid voor verontreiniging bepaalt dit, niet de batterij zelf. Gebruik een siliconenvrije vulling wanneer het accupakket lekgevoelige sensoren, afdichtingsvlakken of gelijmde verbindingen heeft, of wanneer de productielijn siliconenvrije, VOC-arme regels hanteert. Zelfs in gevallen waar geen van deze situaties van toepassing is, kan een goed gekozen siliconenmateriaal nog steeds goed presteren.
Verliest een siliconenvrije TIM zijn thermische geleidbaarheid of wordt hij broos na thermische veroudering?
Sommige soorten vulmaterialen verharden na verloop van tijd, dus dit moet voor het specifieke product worden gecontroleerd. Een gepubliceerd onderzoek naar veroudering bij een opslagtemperatuur van 125 °C gedurende 2000 uur volgens JEDEC JESD22-A103E toonde aan dat een siliconenvrij vulmateriaal verhardde, terwijl een siliconen vulmateriaal visco-elastisch bleef. Daarom moeten de mechanische en diëlektrische eigenschappen na veroudering per materiaalsoort worden beoordeeld.
Kan het vrijkomen van siliconengas de koelplaat, de cellen of de printplaat in een module verontreinigen?
Ja, en dat risico is de belangrijkste reden waarom er siliconenvrije materialen bestaan. Siloxanen met een laag moleculair gewicht kunnen onder invloed van hitte en compressie migreren naar afdichtingsvlakken, sensoren of printplaten, waardoor de oppervlakteweerstand en doorslagspanning afnemen of latere hechting en reiniging worden bemoeilijkt.
Geleiden siliconenvrije TIM's altijd beter dan siliconen TIM's?
Nee; de geleidbaarheid hangt af van het type en de hoeveelheid vulstof, niet of de matrix siliconenvrij is. Beide chemische samenstellingen kunnen over een breed geleidbaarheidsbereik worden geformuleerd, dus vergelijk de kwaliteiten met elkaar in plaats van met materiaalfamilies.
Verder lezen
- Een vergelijkende studie naar het effect van thermische veroudering op siliconengebaseerde en siliconenvrije thermische vulmaterialen voor kieren (tijdschrift *Materials*, 2021) — Een door vakgenoten beoordeelde studie naar veroudering bij opslag op hoge temperatuur (JEDEC JESD22-A103E) ondersteunt de bovenstaande afwegingen tussen harding en diëlektrische eigenschappen; dit geldt voor de twee geteste kwaliteiten, niet voor alle siliconenvrije materialen.
Gerelateerde artikelen
- Keramische thermische pasta: wat het is, hoe het werkt en wanneer je het moet gebruiken. — Legt uit hoe een met keramiek gevulde pasta werkt en wanneer deze geschikt is, handig bij het afwegen van vulmiddelopties voor een interface.
- Geleidende versus niet-geleidende thermische pasta: een selectiegids — Helpt bepalen wanneer een interface tussen een cel en een koelplaat elektrisch geïsoleerd moet blijven.
- Faseveranderingsthermische pad: overgangsband, klemdruk en verbindingslijn — Dit behandelt faseveranderingspads en de klemdruk- en verbindingslijnvariabelen die daarop van invloed zijn.
- Thermische interfacematerialen: soorten en kenmerken — Brengt de belangrijkste TIM-klassen in kaart en laat zien waar elke klasse in een thermisch pad past.
- Alternatieven voor thermische pasta: technische opties en hoe u de juiste keuze maakt. — Dit artikel bespreekt technische alternatieven voor tandpasta en hoe je daartussen kunt kiezen.
