Toplotna načela in strategije izboljšav materialov za toplotne vmesnike
Z razvojem sodobnih elektronskih naprav v smeri miniaturizacije, visoke gostote moči in visoke integracije je problem odvajanja toplote elektronskih naprav postal ključni dejavnik, ki vpliva na življenjsko dobo in zmogljivost naprav, zlasti na področju 5G. Zato so za rešitev tega problema potrebne boljše rešitve toplotnega upravljanja. Na splošno je treba toploto, ki jo ustvarijo elektronske naprave, prenesti na površino hladilnega telesa, polnilni materiali za termični vmesnik (TIM) med elektronsko napravo in hladilnim telesom pa lahko povečajo zmogljivost prenosa toplote.
TIM-ji so v glavnem sestavljeni iz organskih matrik in anorganskih polnil. Zato bo skupna toplotna prevodnost TIM-jev določena s toplotno prevodnostjo polimerov in anorganskih polnil, medfaznim toplotnim uporom polimerov in anorganskih polnil ter medfaznim toplotnim uporom med kontaktnimi površinami anorganskih polnil. Toplotno prevodnost v glavnem določajo elektroni ali/in fononi, toplota, ki jo ustvari čip, pa se skozi Tims prenese na hladilno telo, s čimer se doseže kroženje sistema za odvajanje toplote in hlajenje elektronskih naprav.
Elektronsko prevajanje toplote se pojavlja predvsem v prevodnih toplotno prevodnih materialih. Ko so ti materiali v neuravnoteženem okolju, bodo elektroni difundirali od visokih do nizkih temperatur, pri čemer bodo nastali ustrezni tokovi in toplotni tokovi, kar bo povzročilo elektronsko prevajanje toplote. V medijih in neprevodnih polimerih je toplotna prevodnost običajno fononska toplotna prevodnost. Ko se ena stran te vrste materiala segreje, mreža materiala zavibrira in ustrezna vibracija se prenese na sosednje atome, kar povzroči prenos toplotnega toka v materialu. Običajno so TIM-ji te vrste. Kot sestavni del TIM-jev imajo anorganska nekovinska polnila razmeroma pravilno mrežno porazdelitev in fononi se lahko širijo vzdolž mrežne smeri, kar pogosto kaže odlično toplotno prevodnost; V drugi pomembni komponenti polimera so polimerne verige prepletene in ne prevajajo fononov visoke hitrosti. Ti fononi so zelo razpršeni na vmesniku polimerne verige, kar ima za posledico znatno zmanjšanje pretoka fononov in zmanjšanje toplotne prevodnosti. Zato je zmanjšanje sipanja fononov še posebej pomembno za izboljšanje toplotne prevodnosti.
Običajna metoda za izdelavo TIM je uporaba anorganskih polnil z visoko toplotno prevodnostjo. Vendar pa zaradi nizke toplotne prevodnosti polimernih polimerov skupna toplotna prevodnost TIM-jev, izdelanih na ta način, pogosto ni idealna zaradi njihove toplotne odpornosti na vmesniku z anorganskimi polnili. Zato je zmanjšanje medfaznega toplotnega upora med anorganskimi polnili in polimerom, anorganskimi polnili in anorganskimi polnili ter konstruiranje poti toplotne prevodnosti ali upoštevanje obojega postalo smer za izboljšanje toplotne prevodnosti TIM-jev.
Miniaturizacija in velika moč elektronskih izdelkov in opreme zahtevata, da je treba stalno izboljševati tudi toplotno prevodnost toplotno prevodnih materialov. Zato so visoka toplotna prevodnost, odlična tiksotropija in dobra obstojnost pri skladiščenju najpomembnejša usmeritev raziskav in razvoja toplotno prevodnih materialov.
