Η σημασία των θερμικά αγώγιμων προσκολλητών στη σύγχρονη ηλεκτρονική

Καθώς οι ηλεκτρονικές συσκευές συνεχίζουν να συρρικνώνονται σε μέγεθος ενώ αποκτούν ισχύ επεξεργασίας, η αποτελεσματική θερμική διαχείριση έχει γίνει ένα κρίσιμο σχεδιαστικό κριτήριο. Θερμικά αγώγιμες συγκολλητικές ουσίες (TCAs) εξυπηρετούν ένα διπλό σκοπό: συνδέουν συστατικά ενώ παράλληλα διευκολύνουν τη διάχυση θερμότητας από πηγές θερμότητας, όπως επεξεργαστές, ενισχυτές ισχύος, και LEDs σε θερμοσυνδέσεις ή σασί. Χωρίς αποτελεσματική μεταφορά θερμότητας, η απόδοση υποβαθμίζει, οι σταγόνες αξιοπιστίας και η πρόωρη βλάβη γίνεται κοινή. Παραδοσιακά υλικά θερμικής διεπαφής (TIMS) όπως θερμικά γράσα, μαξιλάρια, ή υλικά αλλαγής φάσης έχουν το καθένα από τα εμπορικά συστήματα. Οι γλάστρες μπορούν να αντλούν ή να στεγνώσουν κάτω από θερμική ποδηλασία, τα μαξιλάρια απαιτούν δύναμη συμπίεσης και τα συγκολλητά απαιτούν υψηλές θερμοκρασίες επεξεργασίας. Τα TCAs προσφέρουν ένα μοναδικό συνδυασμό ικανότητας κάλυψης χάσματος, ηλεκτρικής απομόνωσης, και μηχανικής πρόσφυσης που απλοποιεί τη συναρμολόγηση και μειώνει την καταμέτρηση των συστατικών.

Οι βασικές ιδιότητες που καθιστούν τα TCA απαραίτητα περιλαμβάνουν: θερμική αγωγιμότητα (τυπικά 0.5 ⁇ 10 W/m·K, με κάποιες προηγμένες συνθέσεις να φτάνουν τα 15 W/m·K ή περισσότερο), χαμηλό πάχος γραμμής δεσμού για την ελαχιστοποίηση της θερμικής αντίστασης, υψηλή διηλεκτρική αντοχή για ηλεκτρική μόνωση, και επαρκή αντοχή πρόσφυσης για να διατηρηθεί η ακεραιότητα της άρθρωσης υπό κραδασμούς και θερμικές καταπονήσεις. Η ικανότητα θεραπείας σε χαμηλές θερμοκρασίες επιτρέπει επίσης τη χρήση τους σε ευαίσθητα στη θερμοκρασία υποστρώματα όπως ευέλικτα κυκλώματα και οργανικές συσκευασίες. Με την άνοδο της υποδομής 5G, ηλεκτρικά ηλεκτρονικά ισχύος οχημάτων, και συμπαγείς καταναλωτικές συσκευές, η ζήτηση για υψηλής απόδοσης TCAs αυξάνεται ραγδαία.

Πρόσφατες Προόδους στις Τεχνολογίες TCA

Τα τελευταία πέντε χρόνια, οι προσπάθειες Ε&Α έχουν παράγει TCA με θερμικές αγωγιμότητα σχεδόν διπλάσιες από αυτές των συμβατικών υλικών. Αυτές οι βελτιώσεις προέρχονται από την πρόοδο στην τεχνολογία πλήρωσης, τη χημεία πολυμερών, και τη θεραπεία της χημείας.

Συμπληρώματα με ενίσχυση νανοϋλικών

Τα σωματίδια του νιτριδίου του βορίου (BN), τα νανοαιμοπετάλια γραφενίου, οι νανοσωλήνες άνθρακα (CNTs) και τα σωματίδια αλουμίνας (Al2O3) είναι πλέον κοινά σε TCA υψηλού άκρου. Όταν διασκορπίζονται σε κλάσματα υψηλής φόρτισης, αυτά τα πληρωτικά σχηματίζουν δίκτυα διακλάδωσης που βελτιώνουν δραματικά τη ροή θερμότητας. Για παράδειγμα, τα κάθετα ευθυγραμμισμένα πληρωτικά του ΒΝ μπορούν να προσανατολιστούν κατά μήκος της κατεύθυνσης του διόδου του αεροπλάνου, επιτυγχάνοντας θερμική αγωγιμότητα πάνω από 10 W/m·K διατηρώντας παράλληλα ηλεκτρική μόνωση. Οι συγκολλητικές ουσίες του γραφενίου προσφέρουν ακόμα μεγαλύτερη αγωγιμότητα αλλά απαιτούν προσεκτική απομόνωση για να αποφευχθούν τα βραχέα κυκλώματα. Τα υβριδικά πληρωτικά (μελέτη σε υβριδικά πληρωτικά BN ⁇ grapene fillers) έχουν δείξει συναρμολογιστικά αποτελέσματα, κόστος εξισορρόπησης, ιξώδες και απόδοση.

Καινοτομίες πολυμερών Matrix

Ωστόσο, τα ακρυλικά και εποξειδικά συστήματα ενσωματώνουν πλέον εύκαμπτα τμήματα για να αντέχουν σε υψηλούς -CTE αντιστοίχους χωρίς να ραγίζουν. Τα σκευάσματα χαμηλής-εκροής είναι απαραίτητα για τα θερμοκολλητικά υλικά κενού-σφραγισμένα σε αεροδιαστημική και διαστημική ηλεκτρονική. Η σειρά λοβίτη του Χένκελ] και 3M είναι τα θερμοκολλητικά υλικά []] εξειδικεύουν εμπορικά προϊόντα που ενσωματώνουν προηγμένη τεχνολογία πολυμερών για βελτιωμένη αποστείρωση και αντοχή.

Μηχανισμοί ίασης και συμβατότητα διαδικασίας

Τα υπεριώδη (UV), η υγρασία και τα συστήματα θερμικής επεξεργασίας επιτρέπουν στους κατασκευαστές να προσαρμόζουν τη ροή παραγωγής. Τα υπεριώδη-επαρκή TCA παρέχουν ταχεία θεραπεία κατόπιν ζήτησης (δευτερόλεπτα υπό UV), επιτρέποντας την κατασκευή συστατικών όπως τα δομικά στοιχεία και οι αισθητήρες της κάμερας. Τα συστήματα διπλής θεραπείας (UV ακολουθούμενα από δευτερογενή υγρασία ή θερμική θεραπεία) εξασφαλίζουν τις σκιώδεις περιοχές επίσης πλήρως θεραπεύονται.

Χαμηλή βισκόζη και αναλώσιμες συνθέσεις

Καθώς οι πυκνότητες των συστατικών αυξάνονται, η δυνατότητα να διανέμονται TCA σε λεπτές γραμμές ή τελείες χωρίς εγχόρδων καθίσταται απαραίτητη. Πρόσφατα σχηματίστηκαν συγκολλητικές ουσίες χαμηλού ιξώδους (<2000 mPa·s) μπορούν να διοχετευτούν σε μικρά τακάκια ή σε στενά κενά μέσω αεροδιανομέων με πεπιεσμένου αέρα ή πιεζοκίνητων συσκευών.

Περιβαλλοντική και κανονιστική συμμόρφωση

Οι αυστηρότεροι κανονισμοί για τις πτητικές οργανικές ενώσεις (VOC) και τις επικίνδυνες ουσίες (RoHS, REACH) έχουν οδηγήσει στην ανάπτυξη σκευών TCA χωρίς διαλύτες και χαμηλής περιεκτικότητας σε VOC. Νέα βιο-βασισμένα μονομερή και ανακυκλωμένα υλικά πλήρωσης διερευνώνται για τη μείωση του αποτυπώματος άνθρακα.

Εφαρμογές σε όλη την ηλεκτρονική βιομηχανία

Οι προηγμένες TCA έχουν βρει έγκριση σχεδόν σε κάθε τμήμα της ηλεκτρονικής συναρμολόγησης.

Ηλεκτρονικά Καταναλωτικά

Στα smartphones και τα tablet, τα TCA συνδέουν την CPU/SOC με την ασπίδα EMI ή το μεσαίο πλαίσιο, διεξάγοντας τη θερμότητα μακριά, ενώ προστατεύει ευαίσθητα συστατικά. Οι λεπτές, εύκαμπτες συγκολλητικές ουσίες ασφαλίζουν επίσης την μπαταρία χωρίς την ανάγκη για βίδες ή σφιγκτήρες. Για αναδιπλούμενα τηλέφωνα, ένα τενόμενο TCA που διατηρεί την αγωγιμότητα μέσω επαναλαμβανόμενης κάμψης έχει εμπορευματοποιηθεί.

Αυτοκίνητα και ηλεκτρικά οχήματα (EV)

Οι αναστροφείς ισχύος, οι φορτιστές επί του σκάφους και τα συστήματα διαχείρισης της μπαταρίας απαιτούν θερμικές συγκολλήσεις που επιβιώνουν από μεγάλες διακυμάνσεις θερμοκρασίας (-40 °C έως +150 °C) και υψηλές τάσεις. Οι θερμικά αγώγιμοι φορτιστές κενού (μερικές φορές ονομάζονται αναλώσιμα τακάκια) γεμίζουν μεγάλα κενά μεταξύ των κυψελών μπαταρίας και των πλακών ψύξης. Το DOW’S DOW’S DOW’SILTM TC ⁇ 2035 είναι ένα παράδειγμα μιας μονομερούς, γρήγορης κόλλας που έχει σχεδιαστεί για ηλεκτρονικά ηλεκτροκίνητα.

Υψηλής απόδοσης υπολογιστικά και data centers

Οι TCA αντικαθιστούν το θερμικό λίπος σε ορισμένα συγκροτήματα όπου απαιτείται επίσης μηχανική κατακράτηση. Οι συγκολλητικές ουσίες χαμηλής τάσης μειώνουν το στρες σε μεγάλα πακέτα ⁇ die κατά τη διάρκεια της θερμικής ποδηλασίας. Με την άνοδο των αρχιτεκτονικών τσιπ, οι TCA χρησιμοποιούνται για να συνδέσουν τα τσιπ σε interposers ή τους διασπειρητές θερμότητας, εξασφαλίζοντας ομοιόμορφες θερμικές διαδρομές.

Led Φωτισμός και Power Modules

Τα LED υψηλής ισχύος είναι ευαίσθητα στη θερμοκρασία σύνδεσης, η υπέρβαση των ορίων μειώνει την παραγωγή φωτός και τη διάρκεια ζωής. TCAs εξαλείφουν την ανάγκη για βίδες ή κλιπ, ενώ παρέχουν θερμικές διαδρομές σε υποστρώματα αλουμινίου. Σε μονωμένα ⁇ πύλη διπολικό τρανζίστορ (IGBT) συστοιχίες, ηλεκτρικά απομονωμένη TCAs δεσμός πεθαίνει σε κεραμικά υποστρώματα, συχνά λειτουργεί σε >10 kV απομόνωση.

Φορητά και Ιατρικές Συσκευές

Τα φορητά ηλεκτρονικά απαιτούν εύκαμπτες, βιοσυμβατές συγκολλητικές ουσίες που μπορούν να αντέξουν τον ιδρώτα και την κίνηση. Οι βιοσυμβατές TCA χρησιμοποιούνται πλέον σε αισθητήρες επαφής και εμφυτεύσιμες συσκευές.

Προκλήσεις και μελλοντικές οδηγίες

Παρά την εντυπωσιακή πρόοδο, αρκετά εμπόδια παραμένουν πριν TCAs μπορούν να εκτοπίσουν πλήρως τα παραδοσιακά TIM και συγκολλητικά.

Αξιοπιστία υπό Περιβαλλοντική πίεση

Η παρατεταμένη έκθεση στη θερμότητα, την υγρασία και τη θερμική ποδηλασία μπορεί να υποβαθμίσει το συγκολλητικό δεσμό και το δίκτυο πλήρωσης, αυξάνοντας τη θερμική αντίσταση με την πάροδο του χρόνου. Τα επιταχυνόμενα τεστ γήρανσης ([]Η μελέτη της ΙΕΕΕ για την αξιοπιστία της TCA[]) δείχνουν ότι η αποσυμπίεση και το αναρρόφημα πολυμερούς αποτελούν πρωταρχικές λειτουργίες αποτυχίας.

Κόστος και κλιμακωσιμότητα

Οι διεργασίες κατασκευής που ευθυγραμμίζουν τα πληρώματα κατά τη διάρκεια της διανομής προσθέτουν πολυπλοκότητα. Ωστόσο, καθώς ο όγκος παραγωγής αυξάνεται και η ανακύκλωση βελτιώνεται, το κόστος προβλέπεται να μειωθεί. Η ανάπτυξη κλιμακούμενων μεθόδων όπως η διατμητική ⁇ που προκαλείται από την ευθυγράμμιση στην εξώθηση είναι πολλά υποσχόμενη.

Προκλήσεις για Ενσωμάτωση στη Διαδικασία

Πολλές γραμμές συναρμολόγησης βελτιστοποιούνται για την επαναρρόη ή τη θερμική διανομή γράσου. Η αλλαγή σε μια διαδικασία κόλλας μπορεί να απαιτήσει μεγαλύτερο χρόνο θεραπείας, πρόσθετα εξαρτήματα, ή προσεκτικός καθαρισμός.

Μελλοντικές Οδηγίες Έρευνας

Η μηχανική μάθηση χρησιμοποιείται για να προβλέψει βέλτιστες μορφολογίες πλήρωσης και πολυμερικές συνθέσεις, μειώνοντας πειραματικές επαναλήψεις. Αυτοθεραπευόμενη κόλλα[ που επιδιορθώνει μικροπυρολυτικά που προκαλούνται από θερμική καταπόνηση θα μπορούσε να βελτιώσει δραματικά τη μακροπρόθεσμη αξιοπιστία. Ανισοτροπικές θερμοκολλητικές συγκολλητικές ουσίες που λειτουργούν με προτιμησιακή μέθοδο προς μία κατεύθυνση (π.χ. μέσω ⁇ πλάνου) ενώ μονωτικά πλευρικά σχεδιάζονται για τσιπ 3D. Τέλος, βιώσιμα σκευάσματα από φυτά που βασίζονται σε πολυμερή και ανακυκλωμένα υλικά θα πληρούν εταιρικούς στόχους netzero.

Συμπέρασμα

Με θερμικές αγωγιμότητα που υπερβαίνει τώρα τα 10 W/m·K, ισχυρή ηλεκτρική μόνωση, και ευέλικτες επιλογές σκλήρυνσης, έχουν λύσει τις προκλήσεις θερμικής διαχείρισης που τα παραδοσιακά υλικά δεν μπορούν. Καθώς οι πυκνότητες της συσκευής συνεχίζουν να αυξάνουν και οι διαδικασίες συναρμολόγησης απαιτούν μεγαλύτερη απλότητα, οι TCA θα παραμείνουν μια ζωντανή περιοχή καινοτομίας. Μηχανικοί και σχεδιαστές θα πρέπει να παραμείνουν ενημερωμένοι για την πρόοδο των υλικών και να συνεργαστούν με τους προμηθευτές για να επιλέξουν τη βέλτιστη κόλλα για τη συγκεκριμένη εφαρμογή τους ⁇ εξισορρόπηση απόδοσης, κόστους και κατασκευαστικότητας. Η επόμενη δεκαετία θα δείτε TCAs επιτύχει την ισοτιμία με τα συγκολλητικά σε πολλές εφαρμογές υψηλής έντασης, αναδιαμορφώνοντας τον τρόπο που συναρμολογούμε και cool electronics.