Termisen johtavien lisälaitteiden merkitys modernissa elektroniikkajärjestelmässä

Koska elektroniset laitteet kutistuvat jatkuvasti kokonsa saadessaan jalostustehoa, tehokkaasta lämmönhallinnasta on tullut kriittinen suunnittelu huomioon ottaen. Lämpöjohtavat liimat (TCA) palvelevat kaksi tarkoitusta: ne yhdistävät komponentit toisiinsa samalla kun helpottavat lämmönjakoa lämpölähteistä, kuten prosessorit, tehovahvistimet ja LEDit lämpönieluista tai alustasta lämpönöyryyksiin. Ilman tehokasta lämmönsiirtoa, suorituskyvyn heikkenemistä, luotettavuutta ja ennenaikaista vikaa tulee yleiseksi. Perinteiset lämpöliitäntämateriaalit (TIM) kuten lämpörasvat, tyynyt tai vaihevaihdolla varustetut materiaalit ovat kumpikin vaihto-offeja. Rasvat voivat pumpata tai kuivua lämpökierron aikana, tyynyt vaativat puristusvoimaa ja myyjät vaativat korkeita käsittelylämpötiloja. TCA-tuotteet tarjoavat ainutlaatuisen yhdistelmän vajetta täytettäviä kyvykkyyttä, sähköistä eristämistä ja mekaanisen kiinnityksen, joka yksinkertaistaa kokoonpanoa ja vähentää komponenttien määrää.

Tärkeimmät ominaisuudet, jotka tekevät TCA:t välttämättömiksi, ovat: lämmönjohtavuus (tyypillisesti 0,5...10 W/m·K, joissakin kehittyneissä formulaatioissa on 15 W/m·K tai enemmän), alhainen sidosjohdon paksuus lämpövastusten minimoimiseksi, korkea dielektrinen lujuus sähköeristystä varten ja riittävä pitolujuus nivelen eheyden ylläpitämiseksi tärinän ja lämpöjännityksen aikana. Kyky parantaa alhaisissa lämpötiloissa mahdollistaa myös niiden käytön lämpöherkissä substraateissa, kuten joustavissa piireissä ja orgaanisissa paketeissa. 5G-infrastruktuurin, sähköajoneuvojen sähköelektroniikan ja kompaktien kulutuslaitteiden nousun myötä huipputehokkaiden TCA-laitteiden kysyntä kasvaa nopeasti.

Viimeaikaiset edistymiset TCA Technologies

Viimeisten viiden vuoden aikana T&K-toiminta on tuottanut lämpöä tuottavia TCA-tuotteita lähes kaksinkertaisesti perinteisten materiaalien kanssa. Nämä parannukset johtuvat täyttötekniikan, polymeerikemian ja parantavan kemian kehityksestä. Alla tarkastellaan vaikuttavimpia kehityskulkuja.

Nanomateriaalia tehostavat täyttölaitteet

Boroninitrioksidi (BN) -verihiutaleet, grafeeni nanotrombootit, hiilinanoputket (CNT) ja alumiinioksidi (Al2O3) -hiukkaset ovat nyt yleisiä korkean lämpötilan TCA-arvoissa. Kun ne hajallaan korkeisiin lastausfraktioihin, nämä täyteaineet muodostavat läpäiseviä verkostoja, jotka parantavat merkittävästi lämpövirtaa. Esimerkiksi pystysuuntaan suunnatut BN-täyttöaukot voivat suunnata läpi linjan, saavuttaa lämmönjohtavuuden yli 10 W/m·K:n säilyttäen samalla sähköeristystä. Grafeenipohjaiset liimat tarjoavat vielä suuremman johtavuuden, mutta vaativat huolellista eristämistä välttääkseen lyhyitä virtapiirejä. Hybriditäyttöaukot [] [hybridiBN-grafiittia täyteaineita koskeva tutkimus] ovat osoittaneet synergisiä vaikutuksia, tasapainotuskustannuksia, viskoosia ja suorituskykyä.

Polymer Matrix -innovaatiot

Polymeerimatriisin valinta määrittää tarkkuuden, joustavuuden ja luotettavuuden. Silikonipohjaiset TCA-laitteet ovat edelleen suosittuja laajan käyttölämpötila-alueensa ja vakaiden mekaanisten ominaisuuksiensa vuoksi. Akryyli- ja epoksijärjestelmissä on kuitenkin nyt joustavia segmenttejä, jotka kestävät suuria CTE-komplikaatioita ilman halkeamista. Matalakaasujen koostumukset ovat välttämättömiä tyhjiösaumatuissa koteloissa ilmailu- ja avaruuselektroniikassa. [Henkeliitit Lokiittialue[] ja 3M.S lämpöliimat [[] ovat esimerkkejä kaupallisista tuotteista, jotka integroivat kehittyneen polymeeriteknologian parempaan jakelu- ja kestävyystekniikkaan.

Turvamekanismit ja prosessien yhteensopivuus

Ultravioletti (UV), kosteus- ja lämpöaktivoidut suolajärjestelmät mahdollistavat valmistajien räätälöidä tuotantovirtaa. UV-parannuttavat TCA-tuotteet tarjoavat nopean parannuskeinon tarpeen mukaan (sekuntia UV-säteilyn alla), mahdollistavat komponenttien, kuten kameramoduulien ja sensorien korkean läpiviennin. Kaksoiskiertojärjestelmät (UV, jota seuraa sekundaarinen kosteus tai lämmönparannus) varmistavat myös varjojen alueiden täydellisen parantamisen. Matalan lämpötilan lämpöparannus (60...80 °C) on elintärkeä sähköajoneuvojen akkuliitokselle, jossa liiallinen lämpö voi vahingoittaa soluja.

Matalan näkyvyyden ja dispensable Formulations

Kun komponenttien tiheys kasvaa, on välttämätöntä pystyä jakamaan TCA-tuotteita hienojakoisiin riveihin tai pisteitä ilman jänteilyä. Äskettäin muotoillut matalaviskositeetin liimat (<2000 mPa·s) voidaan poistaa pieniin tyynyihin tai kapeaan aukkoon pneumaattisten tai pietsovetoisten laitteiden kautta. Nämä materiaalit myös kastelevat pinnat paremmin, jolloin bondin paksuus pienenee alle 20 μm:iin ja lämpövastus laskee.

Ympäristö- ja sääntelyvaatimusten noudattaminen

VOC-yhdisteiden ja vaarallisten aineiden (RoHS, REACH) tiukemmat määräykset ovat vauhdittaneet liuotin- ja alhaisen haihtuvuuden TCA-valmisteiden kehittämistä. Uusia biopohjaisia monomeerejä ja kierrätystä sisältäviä täytemateriaaleja tutkitaan hiilijalanjäljen pienentämiseksi. Monet valmistajat tarjoavat nyt UL 94 V-0 -luokiteltuja ja halogeenittomia vaihtoehtoja.

Sovellukset Elektroniikkateollisuuden eri puolilla

Edistyneet TCA-laitteet ovat saaneet hyväksynnän lähes jokaisessa elektroniikkakokoonpanon segmentissä. Alla ovat merkittävimmät sovellusalueet.

Kuluttajaelektroniikka

Älypuhelimissa ja tableteissa TCAs sitoo CPU/SOC:n EMI-suojaan tai keskelle kehystä, jolloin lämpöä ei enää ole, kun suojat ovat herkkiä. Ohuet, joustavat liimat myös varmistavat akun ilman ruuveja tai puristimet. Taitettavien puhelimien osalta on kaupallistanut venyttävä TCA, joka ylläpitää johtavuutta toistuvan taivutuksen kautta.

Auto- ja sähköajoneuvot

Virtainten, laturien ja akunhallintajärjestelmien on täytettävä suuret aukot akkukennojen ja jäähdytyslevyjen välillä. [DOW.s DOWSILTM TC-2035 on esimerkki yksiosaisesta nopeavaikutteisesta liimasta, joka on suunniteltu sähköelektroniikkaa varten. Nämä materiaalit kestävät myös öljyä, rasvaa ja autonesteitä.

Korkean suorituskyvyn tieto- ja tietokeskukset

Palvelimissa olevat prosessorit, GPU-laitteet ja muistimoduulit tuottavat valtavaa lämpöä yksikköaluetta kohden. TCA-laitteet korvaavat lämpörasvan joissakin kokoonpanoissa, joissa tarvitaan myös mekaanista retentiota. Matala-modulusliimat vähentävät suurten die-pakettien stressiä lämpökierron aikana. Sirpaleiden nousun myötä TCA-laitteita käytetään sitomaan sirpaleita interposoreihin tai lämmönlevittimiin, mikä varmistaa yhtenäiset lämpöreitit.

LED-valaistus- ja tehomoduulit

Korkeatehoiset LED-valot ovat herkkiä risteyslämpötilalle; rajojen ylittäminen vähentää valontuottoa ja käyttöikää. TCA-valot poistavat ruuvien tai leikkeiden tarpeen samalla kun ne tarjoavat lämpöpolkuja alumiinisubstraateille. Eristetyn kaksisuuntaisen transistorin (IGBT) moduuleissa TCA-liitteen sähköinen eristäminen kuolee keraamisiin substraatteihin, jotka toimivat usein yli 10 kV:n eristyksessä.

Käytöstä ja lääkinnällisistä laitteista valmistetut tavarat

Käytettävissä oleva elektroniikka vaatii joustavia, bioyhteensopivia liimoja, jotka kestävät hikeä ja liikettä. Bioyhteensopivia TCA-laitteita käytetään nyt ihokosketusantureissa ja implantoitavissa laitteissa. Niiden kyky sitoa kaarevat, miniatyyripinnat ilman aukkoja yksinkertaistaa kokoonpanoa.

Haasteet ja tulevaisuuden linjaukset

Vaikuttavasta edistyksestä huolimatta TCA:t voivat syrjäyttää perinteiset TIM- ja juotteet kokonaan.

Ympäristöstressin alainen luotettavuus

Pitkäaikainen altistuminen lämmön, kosteuden ja lämpökierron voi heikentää liimasidoksen ja täyteaineen verkostoa, mikä lisää lämpövastusaikaa. Kiihdytetyt vanhentamistestit ([]IEEE-tutkimus TCA-luotettavuudesta[]) osoittavat, että täyttöaukon selkeytyminen ja polymeerin hyypiö ovat ensisijaisia vikatiloja. Tutkijat tutkivat tiksotrooppisia lisäaineita pitääkseen täyteaineiden keskeytykset ja ristilinkin tiheyden optimointia hyypiön vastustamiseksi.

Kustannus ja skaalattavuus

Laadukkaat nanotäyttölaitteet kuten BN tai grafeeni ovat edelleen kalliita. Valmistusprosessit, jotka tasaavat täyteaineita jakelun aikana, monimutkaistavat tilannetta. Tuotantomäärien kasvaessa ja kierrätyksen kohentuessa kustannusten ennustetaan kuitenkin laskevan. Skaalauskelpoisten menetelmien, kuten leikkausten aiheuttaman puristuksen, kehittäminen on lupaavaa.

Prosessien integrointihaasteet

Monet kokoonpanolinjat ovat optimoituja juotteiden uudelleenvirtaukseen tai lämpörasvan jakeluun. Liimaprosessiin siirtyminen saattaa vaatia pidempiä kovettumisaikoja, lisälaitteita tai huolellista puhdistusta. Keskittymäalueina ovat matalalämpötilaiset, nopeakuivattavat liimat, jotka voidaan integroida nykyisiin poiminta- ja paikka- viivoihin.

Tulevaisuuden tutkimussuuntaukset

Tulevaisuudessa useat suuntaukset muokkaavat seuraavan sukupolven TCA-laitteita. [Machine learning[] käytetään ennustamaan optimaalisia täyteaineiden morfologioita ja polymeerikoostumuksia, vähentäen kokeellisia iteraatioita. [Self-parannusliimat[[]], jotka korjaavat lämpöstressaantuneita mikrosiruja, voivat parantaa merkittävästi pitkän aikavälin luotettavuutta. []Anisotrooppisia lämpöliimat[[]], jotka tuottavat lämpöä edullisesti yhteen suuntaan (esim. taso) ja eristävät myöhemmin 3D-pistoisia siruja.

Päätelmät

Lämpöjohtavat liimat ovat kehittyneet kapea-alaisista tuotteista nykyaikaisen elektroniikka-asettamisen olennaisiksi mahdollistajiksi. Lämpöä edistävien toimintojen ylittäessä nyt 10 W/m·K, vankka sähköeristys ja monipuoliset kovennusvaihtoehdot ne ratkaisevat lämpöhallinnan haasteita, joita perinteiset materiaalit eivät voi. Laitetehon tiheyksien kasvaessa ja kokoonpanoprosessien vaatiessa vaativat yhä enemmän yksinkertaisuutta, TCA:t ovat edelleen elinvoimainen innovaatioalue. Insinöörien ja suunnittelijoiden tulisi pysyä ajan tasalla materiaalikehityksestä ja tehdä yhteistyötä toimittajien kanssa, jotta he voisivat valita optimaalisen liiman tiettyyn käyttöönsa. Kun laitteiden tehotiheys kasvaa ja kokoonpanoprosessit vaativat enemmän yksinkertaisuutta, TCA:t saavuttavat todennäköisesti pariteettia myyjien kanssa monissa suuritehoisissa sovelluksissa, jolloin voimme muokata tapaamme koota ja viilentää elektroniikkaa.