Silikonfria termiska gränssnittsmaterial förtjänar sin plats i ett batteripaket där silikonläckage eller avgasning skulle äventyra värmevägen mellan cell och kylvätska. För en värmetekniker är frågan smal. Håller denna enhet ytor, sensorer eller bundna fogar som silikonföroreningar kan bryta ner? Och kan en silikonfri kemi bibehålla värmeledningsförmågan över mellanrummen och det åldrande som modulen kommer att uppleva? Den här artikeln behandlar vad som faktiskt har gjorts inom silikonfria... material för termiska gränssnitt, hur de jämför sig med silikontyper vad gäller de variabler som driver valet, och var de passar i en vätskekyld elbil eller energilagringspaket.
Varför silikonblödning och utgasning hotar batteriets värmeväg
Det återkommande felläget med silikonbaserade termiska gränssnittsmaterial är migration. Lågmolekylära siloxaner kan förångas eller blöda under värme, kompression och lågt tryck, och sedan återavsättas på närliggande ytor. I en batterimodul går värmevägen från cellväggen genom gränssnittsmaterialet till en kall platta. Olja som kryper in på en kall platta, en sensorlins eller ett kretskort kan sedan sänka ytmotståndet och genombrottsspänningen eller störa senare bindning och rengöring. Flera materialkällor beskriver samma mekanism, vilket gör det till en designbegränsning att planera kring i silikonkänsliga enheter.
Kontamineringskontroll är den praktiska anledningen till att en linje kan specificera silikonfri kemi. Där silikonbaserade och silikonfria processer delar verktyg kan uttömd siloxan smutsa ner lödfogar och limfogar på orelaterade delar. Ett team kan då välja silikonfria formuleringar med låg VOC-halt när nedströms bindning eller renhetsregler är strikta. Drivkraften är processrenlighet och reparerbarhet. Påståenden om att silikon är giftigt vid en fast gräns för miljondelar stöds inte här och bör kontrolleras mot ett standardiseringsorgan innan de upprepas.
Silikon passar fortfarande för de flesta vanliga elektronikprodukter, så valet baseras på ett scenario. När en modul inte har någon exponerad optik, inga blödningskänsliga sensorer och ingen nedströmsbindning som läckande olja skulle förstöra, kan konventionella silikonmaterial som en termiskt ledande silikonfett eller silikondynor förblir rimliga. Argumenten för att gå silikonfritt växer i takt med att en montering lägger till kontamineringskänsliga ytor eller strängare renhetsregler.
Vilka förändringar gör "silikonfria" inom TIM-kemin?
“Silikonfri” beskriver matrisen, inte fyllmedlet, så den värmebärande delen av materialet är i stort sett oförändrad. Dessa system ersätter polysiloxan-huvudkedjan med akryl-, polyuretan- eller silylmodifierade polymerkemier. Värmeledningsförmågan kommer fortfarande från keramiska eller metalliska fyllmedel som är dispergerade i matrisen. Att droppa silikon ökar eller sänker därför inte i sig konduktiviteten; det gör fyllmedlets kemi och belastning.
Formatalternativen speglar till stor del silikonsortimentet, vilket gör att monteringsmetoderna är bekanta. Silikonfria kemiska produkter finns som fyllmedel, mellanrumsdynor, värmeledande lim och fetter. Ett team kan vanligtvis matcha en befintlig process, oavsett om det innebär att dispensera ett formfyllmedel eller placera utstansade material. värmeplattor. Härdningsbeteendet förändras med kemin: vissa silikonfria system härdar inte och tillåter omedelbar uppstart, medan reaktiva tvåkomponentslim byter öppentid mot strukturell bindningsstyrka.
Kemi i forskningsstadiet syftar till att öka konduktiviteten genom att konstruera fyllnadsnätverket. System som studeras inkluderar orienterade keramiska eller kolbaserade vägar, poly(joniska flytande) matriser som utforskas för gränsytadhesion, och flytande termiska gränssnittsmaterial som kombinerar flytande metall med fasta partiklar för att hålla ihop ett ledande nätverk. Detta är riktlinjer att hålla koll på, inte fastställda specifikationer. Behandla varje enskild rapporterad konduktivitets- eller modulvärde som obekräftat tills ett datablad och en andra källa stöder det.
Silikonfria kontra silikon-TIM:er: Avvägningar att verifiera
Silikonfria kvaliteter tenderar att minska kontaminering och dielektriskt beteende, men kan ge upphov till långsiktig överensstämmelse, och varje tendens behöver verifiering på kvalitetsnivå. Tabellen listar typiska tendenser och risker att kontrollera i ett datablad, inte fasta egenskaper hos materialfamiljen. Värdet i varje cell beror på den exakta kvaliteten och dess testförhållanden.
| Variabel | Silikonbaserad (typisk) | Silikonfri (typisk, verifiera per kvalitet) |
|---|---|---|
| Kontaminering / utgasning | Siloxanblödning och migration under värme och kompression | Lägre blödning där siloxanmigration är den kontrollerande risken |
| Dielektriskt beteende | Tillräcklig; kan förändras med åldrandet | Bättre isolering rapporterad för vissa testade kvaliteter |
| Beteende efter högtemperaturåldring | Förblir ofta viskoelastisk | Vissa testade kvaliteter hårdnar eller blir spröda |
| Termisk ledningsförmåga | Ställ in med fyllmedel, inte matris | Ställ in med fyllmedel, inte matris |
| Temperaturintervall | Bred, kemiberoende | Beroende på betyg; bekräfta på datablad |
Åldringsbeteende är den avvägning som oftast anges felaktigt, så den behöver en verifiering. I en 2 000 timmars högtemperaturlagrings- och exponeringsförvaring vid 125 °C som kördes enligt JEDEC JESD22-A103E och publicerades i tidskriften *Materials*, härdades ett silikonfritt fyllmedel medan det silikonbaserade materialet förblev viskoelastiskt. Det silikonfria provet visade också bättre dielektriskt beteende för isoleringskritisk användning. Det resultatet täcker de två kvaliteter som testats under dessa lagrings- och åldringsförhållanden. Det omfattar inte alla silikonfria produkter eller hög-låg termisk cykling. Det praktiska steget är att kvalificera åldrad hårdhet och bindningslinjebeteende för den specifika kvaliteten, inte att anta att de håller.
Jämförelser av konduktivitet bär på den största myten, och det är värt att korrigera direkt. Eftersom spaltplattans värmeledningsförmåga Beroende på fyllnadsmedelstyp och belastning är en silikonfri kvalitet inte i sig högre eller lägre ledande än en silikonkvalitet. Båda kan formuleras över ett brett spektrum. Alla påståenden om att silikonfria material automatiskt överträffar silikonfett eller -kuddar bör tolkas som kvalitetsspecifika.
Matcha en silikonfri TIM med cell-till-kylvätska-vägen
Att välja en silikonfri TIM för ett paket börjar med mellanrummet, eftersom mellanrummet avgör materialklassen. Matcha gränssnittsspalten och ytans planhet mellan cellen eller modulen och kylplattan med materialets eftergivlighet. Breda, ojämna mellanrum gynnar en formbar spaltfyllare som fyller hålrum under lågt tryck, medan tunna, plana gränssnitt kan hantera en tunnare dyna eller en dispenserad film. En missmatchning här visar sig som instängd luft och heta punkter, så bekräfta det värsta tänkbara mellanrummet innan du fixar ett format.
Monteringsspänningar och automatisering formar formatet lika mycket som de termiska värdena. Ett silikonfritt fyllmedel med låg modul som komprimeras till en minimal bindningslinje utan att belasta känsliga celler kan vara värt mer än en marginellt högre konduktivitet som kräver hög klämkraft. Ett dispenserbart form-in-place-material passar också bättre för automatiserade packlinjer än handplacerade dynor. Där gränssnittet också bär strukturell belastning, flyttar ett silikonfritt värmeledande lim beslutet mot bindningsstyrka och härdningsschema, vilket sedan begränsar takttiden.
Härdning, servicevänlighet och isolering avgör valet, och de knyter an till paketets livscykelmål. Ett icke-härdande fyllmedel gör det möjligt att omedelbart testa ledningens effekt. Ett reaktivt lim låses på plats men komplicerar omarbetning och demontering vid slutet av livscykeln, en begränsning som är viktig eftersom paket är konstruerade för batterisäkerhet och vätskekylning, servicevänlighet och återvinning. Eftersom de flesta gränssnitt för paket också måste isolera cellen elektriskt från den kalla plattan, bekräfta den dielektriska styrkan vid den åldrade, komprimerade bindningslinjen med hjälp av de mekaniska, geometriska och dielektriska tester som är lämpliga för varje egenskap. En åldringsexponering, såsom JEDEC JESD22-A103E, anger lagringsförhållandena före och efter vilka dessa separata tester körs. Den mäter inte i sig hårdhet, bindningslinjens tjocklek eller dielektrisk styrka. Genom att kontrollera dessa fyra variabler tillsammans bibehålls ett silikonfritt ljud under modulens livslängd.
Där silikonfria TIM-enheter passar
Silikonfri kemi passar in där renhetsregler och tillverkningsbegränsningar redan pekar bort från silikon. Elbils- och energilagringspaket är ett sådant fall. När en design siktar på celltemperaturer nära rumstemperatur och behandlar ihållande avvikelser mot cellgränserna som en livs- och säkerhetsrisk, måste gränssnittsmaterialet hålla under termiska cykler utan att smutsa ner kalla plattor, sensorer eller bundna fogar. Batterienergilagringssystem möter samma drivkrafter i större skala, så silikonfria fyllmedel och lim är ett vanligt alternativ i termiska paketdesigner.
Utöver batterier gäller samma dragkraft i alla silikonkänsliga enheter. Optisk, sensorisk, medicinsk och flyg- och rymdteknik kan vara intolerant mot blödning eller avgasning, så silikonfria material tjänar dessa användningsområden av den kontamineringsskäl som gäller inuti ett paket. Den tekniska logiken kvarstår även om temperatur- och mellanrumsbegränsningar skiljer sig åt beroende på applikation.
Inom materialvetenskapen är framstegen på kort sikt stegvisa och fyllnadsdrivna. Nanofillerförstärkning, orienterade ledande banor och flytande metallhybrider syftar alla till att höja konduktiviteten samtidigt som de bibehåller efterlevnaden, och alla står fortfarande inför samma kvalificeringsstandard gällande åldring, isolering och tillverkningsbarhet. Att spåra dessa kvalificeringsdata är en mer tillförlitlig mätare på framsteg än siffror för konduktivitet.
Slutsats
Den viktigaste bedömningen för silikonfria termiska gränssnittsmaterial är att de först och främst är ett beslut om kontaminering och renhet och sedan ett beslut om konduktivitet. Specificera dem när ett paket har silikonkänsliga ytor, strikta tillverkningsregler eller behov av användbarhet och isolering som silikonblödning skulle undergräva, och behåll silikon där inget av dessa påtryckningar finns. Den egenskap som oftast missuppfattas fel är åldring. Eftersom vissa silikonfria kvaliteter hårdnar med tiden, kvalificera åldrad hårdhet, bindningslinjetjocklek och dielektrisk hållfasthet för den specifika kvaliteten. Använd en erkänd lagrings- och åldringsexponering, såsom JEDEC JESD22-A103E, som villkor, och lämpliga mekaniska och dielektriska tester för mätningarna. Att matcha materialet med mellanrum, monteringsspänning, härdning och isolering över den värmevägen är där Trumonytechs'-gränssnittsmaterial och kallplåtsdesigner är avsedda att fungera tillsammans.
VANLIGA FRÅGOR
Behöver jag ett silikonfritt fyllmedel för springor i ett elbilsbatteri, eller är silikon acceptabelt?
Föroreningskänsligheten avgör detta, inte batteriet i sig. Specificera ett silikonfritt fyllmedel när paketet har avluftningskänsliga sensorer, tätningsytor eller bundna fogar, eller när linjen tillämpar silikonfria regler för låga VOC-halter. Om ingen av dessa gäller kan ett väl valt silikonmaterial fortfarande fungera.
Förlorar en silikonfri TIM värmeledningsförmåga eller blir spröd efter termisk åldring?
Vissa kvaliteter hårdnar med åldern, så detta måste verifieras för den specifika produkten. En publicerad åldringsstudie vid hög lagringstemperatur på 2 000 timmar och 125 °C enligt JEDEC JESD22-A103E fann att ett silikonfritt spaltfyllmedel härdade medan ett silikonbaserat förblev viskoelastiskt. Det är därför det åldrade mekaniska och dielektriska beteendet bör kvalificeras kvalitetsmässigt kvalitetsmässigt för kvalitet.
Kan silikonutgasning förorena kylplattan, cellerna eller kretskortet i en modul?
Ja, och den risken är den främsta anledningen till att silikonfria material finns. Lågmolekylära siloxaner kan migrera under värme och kompression till tätningsytor, sensorer eller kretskort, vilket sänker ytmotståndet och genombrottsspänningen eller förstör senare bindning och rengöring.
Är silikonfria TIM alltid högre ledande än silikon?
Nej; konduktiviteten följer fyllnadstyp och belastning, inte om matrisen är silikonfri. Båda kemiska egenskaperna kan formuleras över ett brett konduktivitetsområde, så jämför kvalitet för kvalitet istället för efter materialfamilj.
Vidare läsning
- En jämförande studie av termisk åldringseffekt på silikonbaserade och silikonfria termiska spaltfyllnadsmaterial (tidskrift *Materials*, 2021) — Referentgranskad studie av åldrande vid hög temperaturlagring (JEDEC JESD22-A103E) som stöder ovanstående avvägningar mellan härdning och dielektriska egenskaper; gäller de två testade kvaliteterna, inte alla silikonfria material.
Relaterade artiklar
- Keramisk termisk pasta: vad det är, hur det fungerar och när man ska använda det — Förklarar hur en keramisk fyllnadspasta fungerar och när den passar, användbart vid vägning av fyllnadsmedelsalternativ för ett gränssnitt.
- Ledande vs icke-ledande termisk pasta: En urvalsguide — Hjälper till att avgöra när ett gränssnitt mellan cell och kylplatta måste förbli elektriskt isolerat.
- Fasövergångstermoplatta: Övergångsband, klämtryck och bindningslinje — Omfattar fasändringsplattor och de klämtryck- och bindningslinjevariabler som styr dem.
- Typer och egenskaper för termiska gränssnittsmaterial — Kartlägger de viktigaste TIM-klasserna och var var och en passar in i en termisk bana.
- Alternativ till termisk pasta: Konstruerade alternativ och hur man väljer — Granskar konstruerade alternativ till pasta och hur man väljer mellan dem.
