التقدم في البحث في مواد الواجهة الحرارية ذات الأساس المعدني

مع التطور المستمر للتكنولوجيا الإلكترونية ، أصبح التكامل والتصغير وكثافة الطاقة العالية للرقائق هو اتجاه التطوير الرئيسي.هذا يضع مطالب أكبر على الإدارة الحرارية تكنولوجيا.نظام الإدارة الحرارية للرقاقة أكثر تعقيدًا.بالإضافة إلى أجهزة مثل أحواض الحرارة ذات الموصلية الحرارية العالية و أحواض الحرارة مع كفاءة عالية في تبديد الحرارة ، فإن تقليل المقاومة الحرارية للتلامس بين المكونات الإلكترونية والمشتتات الحرارية هو أيضًا مشكلة يجب التركيز عليها في أنظمة الإدارة الحرارية للرقاقة.

عندما تتلامس المكونات الإلكترونية والمشتتات الحرارية مع بعضها البعض ، توجد فجوات هوائية في واجهة التلامس الصلبة.تبلغ مساحة التلامس الفعلية حوالي 10٪ من منطقة التلامس العيانية ، مع ملء الجزء الأكبر من الفراغات بالهواء.الهواء موصل ضعيف للحرارة ، والتوصيل الحراري للهواء في درجة حرارة الغرفة هو 0. 026 واط / (م · كلفن).يعيق وجود الهواء انتقال الحرارة بين الواجهات ، مما يؤدي إلى زيادة المقاومة الحرارية للواجهة بين الشريحة والمشتت الحراري.لذلك ، فهو يقلل بشكل كبير من كفاءة تبديد حرارة النظام ويقلل من عمر الرقاقة.من أجل ضمان التشغيل العادي لعنصر التسخين ، يتم تعبئة المواد التي يمكنها توصيل الحرارة بسرعة وفعالية بين عنصر التسخين الإلكتروني والمشتت الحراري.تسمى هذه المادة مواد الواجهة الحرارية (TIM).يستخدم هذا موصلية حرارية عالية ومواد ليونة عالية لملء الفجوة بين الاثنين لتحسين قدرة نقل الحرارة ، وتقليل المقاومة الحرارية للواجهة بشكل فعال وتحسين كفاءة المشتت الحراري.وبهذه الطريقة ، يتم ضمان التشغيل الفعال للرقاقة وتحسين عمر الخدمة لها.

يجب أن يتميز TIM المثالي بخصائص مثل السماكة المنخفضة والموصلية الحرارية العالية والمقاومة الحرارية المنخفضة التلامس.في الاختيار والتصميم الفعلي لـ TIM ، بالإضافة إلى المقاومة الحرارية الكلية للواجهة ، يجب مراعاة العوامل الأخرى بشكل شامل ، مثل العزل الكهربائي والقوة الميكانيكية وما إلى ذلك. مع التطور المستمر لـ TIM ، ظهرت العديد من المنتجات التجارية في السوق.يشمل هذا بشكل أساسي الشحوم الحرارية ، اللاصق الحراري ، الجل الحراري ، مادة تغيير الطور الحراري والوسادة الحرارية.تمثل مواد الواجهة الحرارية التقليدية القائمة على البوليمر ما يقرب من 90 بالمائة من جميع منتجات TIM.مع زيادة الطلب على تبديد الحرارة للمكونات الإلكترونية عامًا بعد عام ، أصبحت مواد الواجهة الحرارية ذات الأساس المعدني موضوعًا بحثيًا ساخنًا نظرًا لتوصيلها الحراري العالي ، كما زادت حصتها في السوق عامًا بعد عام.لخص العديد من العلماء الوضع الحالي لصناعة TIM وقاموا بتحليل ظروف السوق لأنواع مختلفة من TIM.ومع ذلك ، هناك نقص في التفصيل المنهجي لمواد الواجهة الحرارية القائمة على المعدن.

تقدم هذه الورقة بشكل منهجي التقدم البحثي في ​​TIMs القائمة على المعادن.يتم تلخيص TIMs القائمة على المعادن من جوانب نوع المواد وخصائص الأداء.من المتوقع أن يوفر التطوير المستقبلي لـ TIMs مرجعًا لبحوث تكنولوجيا الإدارة الحرارية.

تعد TIMs جزءًا مهمًا من بنية تبديد الحرارة للمكونات الإلكترونية.يتم عرض هيكل تبديد الحرارة المشترك للرقاقة وعملية تبديد الحرارة في الشكل 1.

يمكن أن نرى من الشكل 1 أن TIMs توضع بين الرقاقة وغرفة البخار ، وبين غرفة البخار والمبرد.يتم نقل الحرارة الناتجة عن الرقاقة إلى البيئة من خلال TIMs1 وغرفة البخار و TIMs2 والمشتت الحراري.الشكل 2 هو رسم تخطيطي مجهري لجهة اتصال واجهة الجهاز قبل وبعد ملء TIMs.

الشكل 2 (أ) هو الوضع الفعلي حيث تكون المكونات الإلكترونية في اتصال مباشر مع المشتت الحراري.يتضح من الشكل أن هناك عددًا قليلاً من نقاط الاتصال الفعلية وأن جهة الاتصال غير مكتملة.الشكل 2 (ب) هو الوضع الفعلي لملء TIMs بين المكونات الإلكترونية والمشتتات الحرارية.تمتلئ TIMs الموضحة بفجوات الهواء إلى أقصى حد ، مما يسمح بتوصيلات ضيقة للجهاز والحد الأقصى من تبديد الحرارة.نظرًا لأن TIMs لا يمكنها الاتصال الكامل بالمكونات الإلكترونية ومشتتات الحرارة.تجعل المقاومة الحرارية للواجهة الحالية فرق درجة الحرارة المقابل لكل واجهة أكبر.ΔT في الشكل هو فرق درجة الحرارة بين لوحة التبريد والمكونات الإلكترونية.Δ ت_اتصال هو فرق درجة الحرارة بين مادة الواجهة الحرارية والمشتت الحراري.Δ ت_تيم هو فرق درجة الحرارة بين الأسطح العلوية والسفلية لمادة الواجهة الحرارية.يشير سمك خط الترابط في الشكل إلى سمك TIMs.تعتبر سماكة خط الرابطة معلمة مهمة لدراسة التوصيل الحراري لـ TIMs وحساب المقاومة الحرارية البينية.

نظرًا لتنوع TIMs المتاحة تجاريًا ، فإن لكل منتج مزايا وعيوب.تنقسم TIMs التجارية الحالية بشكل أساسي إلى الفئات التالية.

(1) شحم حراري

عادة ما يكون شحم السيليكون الموصّل حراريًا مادة عجينة مصنوعة من مادة صلبة عالية التوصيل حراريًا ومن سائل ذا سيولة جيدة ولزوجة معينة من خلال طريقة إزالة الرغوة.يستخدم على نطاق واسع في الصناعة وينتمي إلى المواد العضوية المقاومة للحرارة العالية.شحم السيليكون الموصل الحراري له التصاق أفضل بسطح التلامس ، ويمكن التحكم في السماكة لتكون رقيقة جدًا.في الوقت نفسه ، إنها رخيصة.لكن عيبها الأكبر هو أنها تلطخ المادة الأساسية أثناء الاستخدام.نظرًا لأن الشحوم الحرارية عبارة عن عجينة سائلة ، فإنها تظهر تأثير ضخ خطير.إذا كان متنقلًا وتم استخدامه لفترة طويلة ، فسوف يفشل تدريجياً ، مما يقلل من موثوقية النظام.

(2) حشية حرارية

الحشية الموصلة حرارياً هي نوع من مادة طبقة واجهة موصلة حرارياً ناعمة ومرنة تتشكل عن طريق التسخين والمعالجة بمواد بوليمر جزيئية عالية أو مواد أخرى مثل المصفوفة ، مما يضيف حشوات وإضافات موصلة حرارياً عالية.لا يمكنها فقط سد الفجوة غير المتكافئة بين المكونات الإلكترونية والمشتت الحراري ، ونقل الحرارة بشكل فعال ، ولكن أيضًا تلعب دور الختم وامتصاص الصدمات والعزل.ومع ذلك ، نظرًا لارتفاع نسبة الجزيئات الموصلة للحرارة في بعض المنتجات ، فإنها تزيد من التناقض بين صلابة ونعومة ومعدل تعبئة المادة.لذلك ، فإن هذا يحد من الأداء العام لمادة الواجهة الحرارية المركبة.بالإضافة إلى ذلك ، الوسادات الحرارية حساسة لدرجة الحرارة.إذا زادت درجة حرارة المكونات الإلكترونية والوسادات الحرارية ، فسوف تعاني الوسادات من استرخاء الإجهاد.تقل مساحة الملء ويصبح تأثير التوصيل الحراري أسوأ.

(3) مواد الواجهة الحرارية لتغيير الطور

تشير مواد الواجهة الحرارية لتغيير الطور إلى فئة من المواد التي يمكن أن تخضع لتحولات المرحلة الصلبة والسائلة أو الصلبة مع تغيرات في درجة الحرارة.لديها موصلية حرارية معينة ، والتي يمكن أن تقلل من المقاومة الحرارية للواجهة وتحقيق نقل الحرارة.تجمع مواد الواجهة الحرارية لتغيير الطور بين المزايا المزدوجة للوسادات الحرارية والشحوم الحرارية.عندما تزداد درجة حرارة المكونات الإلكترونية أثناء التشغيل ، تخضع المادة لتغيير الطور إلى الحالة السائلة ، مما يؤدي إلى ترطيب الواجهة الحرارية بشكل فعال.لها نفس قدرة الملء مثل الشحوم الحرارية ، والتي يمكن أن تملأ فجوة الواجهة إلى أقصى حد.هذا يقلل من المقاومة الحرارية البينية.بالإضافة إلى ذلك ، تمتص مواد الواجهة الحرارية المتغيرة الطور الحرارة الكامنة وتطلقها أثناء عملية تغيير الطور.له تأثير تخزين الطاقة ، والذي يمكن أن يمنع درجة حرارة العمل للمكونات الإلكترونية من التغيير بسرعة كبيرة.هذا يطيل من وقت استخدام المكونات الإلكترونية.ومع ذلك ، فإن التوصيل الحراري لمادة الواجهة الحرارية لتغيير الطور متوسط ​​، ويصعب التحكم في السماكة.

بالإضافة إلى الأنواع الثلاثة المذكورة أعلاه من TIMs ، تشمل TIMs المتاحة تجارياً أيضًا المواد الهلامية الموصلة حراريًا والألواح المعدنية.يتم عرض مواد الواجهة الحرارية النموذجية وخصائص نقل الحرارة الخاصة بها في الجدول 1.

(4) مواد الواجهة الحرارية ذات الأساس المعدني

تشتمل مواد الواجهة الحرارية ذات الأساس المعدني على معادن ذات نقطة انصهار منخفضة ومواد مركبة ذات مصفوفة معدنية تستخدم معادن ذات نقطة انصهار منخفضة كمصفوفة وتضيف مراحل تعزيز الموصلية الحرارية العالية.بسبب الموصلية الحرارية العالية للمعدن نفسه ، فإن الموصلية الحرارية الكامنة في TIMs المحضرة تتجاوز بكثير تلك الخاصة بالبوليمر TIMs.تتراوح الموصلية الحرارية المبلغ عنها لمواد الواجهة الحرارية ذات الأساس المعدني بين 10 و 40 واط / (م كلفن) ، وهو أعلى بمرتين من حيث الحجم من المواد العضوية أو غير العضوية التقليدية.علاوة على ذلك ، يمكن صهر المعادن ذات نقطة الانصهار المنخفضة وموادها المركبة في نطاق درجة الحرارة التي يمكن أن تتحملها الرقاقة.هذا يملأ فجوة الواجهة بالكامل ويقلل بشكل كبير من المقاومة الحرارية للواجهة ، والتي يمكن أن تضمن تبديد الحرارة الفعال والمستقر للرقاقة.لذلك ، في السنوات الأخيرة ، أصبحت معادن نقطة الانصهار المنخفضة ومركباتها موضوعًا بحثيًا ساخنًا في مجال TIMs وحظيت باهتمام واسع النطاق.

تُفضل مواد الواجهة الحرارية ذات الأساس المعدني في أشباه الموصلات عالية الكثافة للطاقة نظرًا لتوصيلها الحراري الممتاز.إنها معادن ذات نقطة انصهار منخفضة ومركبات مصفوفة معدنية.تشتمل معادن نقطة الانصهار المنخفضة بشكل أساسي على Ga و Sn و In و Bi والسبائك المكونة منها كمكونات رئيسية.يتمتع هذا النوع من المواد بالعديد من المزايا مثل التوصيل الحراري العالي ، والسيولة الجيدة ، والمقاومة الحرارية المنخفضة للواجهة ، وسهولة تحقيق انتقال المرحلة الصلبة والسائلة.في الوقت الحاضر ، تم تطبيقه في العديد من المجالات مثل التحكم الحراري والطاقة ، والتصنيع الإضافي (الطباعة ثلاثية الأبعاد) ، والطب الحيوي ، والآلات الذكية المرنة.لقد كان هذا موضوعًا ساخنًا في الأوساط الأكاديمية والصناعية في السنوات الأخيرة.استخدم العلماء طرق المحاكاة العددية لدراسة تشتت حرارة المعادن السائلة ، مما عزز التطوير الإضافي لهذا النوع من المواد.تستخدم مركبات المصفوفة المعدنية مثل TIMs بشكل أساسي معادن ذات نقطة انصهار منخفضة كمصفوفة.يمكن أن تكون مرحلة التسليح غير عضوية غير معدنية ، مثل السيراميك ، والكربون ، والجرافيت ، وما إلى ذلك ، أو الجزيئات المعدنية ، مثل النحاس ، والزنك ، إلخ.

تشير المعادن ذات نقطة الانصهار المنخفضة إلى المعادن وسبائكها بنقطة انصهار أقل من 300 درجة مئوية ، وتعتبر مواد واجهة حرارية متغيرة الطور محتملة.العيب المشترك للعديد من مواد تغيير الطور المحتملة هو الموصلية الحرارية المنخفضة ، على سبيل المثال ، الموصلية الحرارية للمواد العضوية هي 0. 15 ~ 0．3 وات / (م · ك) ، الموصلية الحرارية لمركب الماء المالح هي 0. 4 ~ 0．7 واط / (م · ك).ستؤدي الموصلية الحرارية المنخفضة إلى ضعف التبادل الحراري بين مائع نقل الحرارة وسطح المكون الإلكتروني ، مما يؤدي إلى مقاومة حرارية كبيرة بين السطح.تتمتع المعادن ذات نقطة الانصهار المنخفضة بالعديد من المزايا ، مثل الموصلية الحرارية الأعلى بعشرات المرات من TIMs التقليدية ، والخصائص الفيزيائية والكيميائية المستقرة نسبيًا ، ونقطة الغليان العالية ، وعدم التآكل.يمكن للمعادن ذات نقاط الانصهار المنخفضة أن تحقق أيضًا انتقالات في الطور الصلب والسائل ، وتمتص الحرارة وتطلقها بسرعة.لها مزايا واضحة في تكنولوجيا الإدارة الحرارية.يسرد الجدول 2 الخصائص الفيزيائية الحرارية النموذجية للعديد من المعادن أو السبائك ذات نقطة الانصهار المنخفضة.تشير الحروف العلوية على القيم في الجدول إلى درجة حرارة الاختبار.أ هي 25 درجة مئوية ، ب 200 درجة مئوية ، ج 160 درجة مئوية ، د 100 درجة مئوية ، ن 50 درجة مئوية ، م هي نقطة انصهار المعدن.

تتميز المعادن ذات نقطة الانصهار المنخفضة بموصلية حرارية عالية وسيولة قوية ومنطقة عمل واسعة في الطور السائل.يمكن استخدامه كأفضل TIMs لتبديد حرارة الرقاقة عالية الطاقة ، ولكن السيولة القوية جدًا ستسبب تسربًا ، مما قد يتسبب في حدوث دائرة قصر للرقاقة.

مركبات المصفوفة المعدنية عبارة عن مواد مركبة مصنوعة من المعدن مثل المصفوفة ويتم دمجها مع تعزيز واحد أو عدة تعزيزات.معظم مواد طور التقوية الخاصة بها عبارة عن مواد غير عضوية ، ويمكن أيضًا استخدام الأسلاك المعدنية والجسيمات وما إلى ذلك.إلى جانب مركبات مصفوفة البوليمر ومركبات مصفوفة السيراميك ، فإنها تشكل نظامًا حديثًا للمواد المركبة.تتميز مركبات المصفوفة المعدنية بخصائص ميكانيكية شاملة جيدة مثل قوة القص والصلابة والتعب.في الوقت نفسه ، تتمتع أيضًا بمزايا التوصيل الحراري والتوصيل الكهربائي ومقاومة التآكل ومعامل التمدد الحراري الصغير وعدم التقادم وعدم التلوث.

عندما يتم تحضير TIMs عن طريق إضافة سيراميك عالي التوصيل الحراري أو مواد كربون إلى مصفوفة معدنية منخفضة نقطة الانصهار ، فإن فرق التوصيل الحراري بين TIMs والرقائق و أحواض الحرارة يمكن تحسينها مع تحسين التوصيل الحراري للمادة.

عند استخدام مركبات المصفوفة المعدنية لإعداد TIMs ، يمكن أن تؤدي إضافة جزيئات الموصلية الحرارية العالية إلى زيادة كبيرة في التوصيل الحراري للمادة وتحسين أداء TIMs.عندما تكون درجة حرارة الخدمة أعلى من نقطة انصهار سبيكة المصفوفة ، يمكن لمرحلة التعزيز المضافة أن تزيد بشكل فعال من لزوجة المادة ، وتقلل من سيولة المادة ، وتحسن بشكل فعال مشكلة الدائرة القصيرة للرقاقة الناتجة عن تدفق المواد.إنها TIMs مثالية.ومع ذلك ، لا تزال هناك العديد من المشاكل في قابلية البلل في مرحلة التعزيز والمصفوفة في مركبات المصفوفة المعدنية.إن كيفية تحسين الواجهة بين الاثنين وزيادة تحسين التوصيل الحراري واللدونة القوية للمادة هي المفتاح لتطوير جيل جديد من TIMs.

مواد الواجهة الحرارية القائمة على المعدن لها آفاق تطبيق واسعة في أنظمة الإدارة الحرارية لأشباه الموصلات عالية الطاقة بسبب الموصلية الحرارية العالية.في هذا البحث ، يتم تلخيص المعادن ذات نقطة الانصهار المنخفضة ومركباتها المستخدمة في TIMs بشكل منهجي من جوانب تكوين المواد وعملية التحضير وخصائص المواد.على هذا الأساس ، يتم طرح الاقتراحات التالية لتصميم وتطوير مواد الواجهة الحرارية القائمة على المعدن في المستقبل.

(1) يمكن للمعادن ذات نقطة الانصهار المنخفضة أن تملأ الواجهة بالكامل بسبب سيولتها الممتازة ، ولكن هناك أيضًا مشكلة التسرب التي تؤدي إلى دوائر قصيرة.هذا يتطلب البحث في طرق أفضل للحد من حركتهم.في الوقت نفسه ، يجب أيضًا الانتباه إلى أكسدة المواد المعدنية أثناء الخدمة طويلة الأمد وحفر المواد على جانبي الواجهة.

(2) بالنسبة لمركبات المصفوفة المعدنية ذات نقطة الانصهار المنخفضة ، يجب أن تركز الأبحاث المستقبلية على تحسين الترابط البيني بين مرحلة التعزيز والمصفوفة.من أجل زيادة تحسين أداء المادة ، من الضروري التركيز على تعديل السطح والشكل المركب لمرحلة التعزيز.

(3) من أجل توفير أساس نظري متين لتصميم TIMs ، من الضروري تعزيز البحث حول آلية التوصيل الحراري لـ TIMs لاختيار نموذج التوصيل الحراري المناسب.