Важность термопроводящих клеев в современной электронике

Поскольку электронные устройства продолжают уменьшаться в размерах, получая вычислительную мощность, эффективное управление тепловой энергией стало критическим соображением конструкции. Термально проводящие клеи (TCA) служат двойной цели: они связывают компоненты вместе, облегчая рассеивание тепла от источников тепла, таких как процессоры, усилители мощности и светодиоды, до радиаторов или шасси. Без эффективной передачи тепла производительность ухудшается, снижается надежность и преждевременный отказ становится обычным явлением. Традиционные материалы теплового интерфейса (TIM), такие как тепловые смазки, прокладки или материалы с фазовым изменением, имеют компромиссы. Смазки могут откачиваться или высыхать при тепловом цикле, прокладки требуют силы сжатия, а припои требуют высокой температуры обработки. TCAs предлагают уникальную комбинацию способности заполнения зазора, электрической изоляции и механической адгезии, которая упрощает сборку и уменьшает количество компонентов.

Ключевые свойства, которые делают TCA незаменимыми, включают: теплопроводность (обычно 0,5-10 Вт / м · К, с некоторыми продвинутыми составами, достигающими 15 Вт / м · К или более), низкую толщину линии связи, чтобы минимизировать тепловое сопротивление, высокую диэлектрическую прочность для электрической изоляции и достаточную прочность на адгезию для поддержания целостности сустава при вибрации и тепловом напряжении. Способность к излечению при низких температурах также позволяет использовать их на чувствительных к температуре подложках, таких как гибкие схемы и органические пакеты. С ростом инфраструктуры 5G, электроники для электромобилей и компактных потребительских устройств, спрос на высокоэффективные TCA быстро растет.

Последние достижения в области технологий TCA

За последние пять лет в результате научно-исследовательских работ ТЦА с теплопроводностью почти вдвое превосходят обычные материалы. Эти улучшения обусловлены достижениями в области наполнительной технологии, химии полимеров и химии отверждения. Ниже мы рассмотрим наиболее эффективные разработки.

Наноматериальные фильтры

Тромбоциты нитрида бора (BN), графеновые нанопластыри, углеродные нанотрубки (CNT) и частицы глинозема (Al2O3) в настоящее время распространены в высокопроизводительных TCA. При диспергировании в высоконагруженных фракциях эти наполнители образуют перколяционные сети, которые резко улучшают тепловой поток. Например, вертикально выровненные наполнители BN могут ориентироваться вдоль направления по сквозной плоскости, достигая теплопроводности выше 10 Вт / м·К при сохранении электрической изоляции. Клеи на основе графена обеспечивают еще более высокую проводимость, но требуют тщательной изоляции, чтобы избежать коротких замыканий. Гибридные наполнители (исследование на гибридных наполнителях BN-графена) показали синергетические эффекты, балансирующую стоимость, вязкость и производительность.

Инновации в полимерной матрице

Выбор полимерной матрицы определяет адгезию, гибкость и надежность. TCA на основе силикона остаются популярными благодаря широкому диапазону рабочих температур и стабильным механическим свойствам. Однако акриловые и эпоксидные системы теперь включают гибкие сегменты, чтобы выдерживать несоответствия с высоким CTE без растрескивания. Низкогазирующие составы необходимы для вакуумных ограждений в аэрокосмической и космической электронике. Локтитовый диапазон Хенкеля и 3M иллюстрируют коммерческие продукты, которые интегрируют передовые полимерные технологии для улучшения дозирования и долговечности.

Механизмы лечения и совместимость процессов

Ультрафиолетовые (УФ), влажность и системы отверждения с тепловым приводом позволяют производителям адаптировать производственный поток. УФ-отверждаемые ТЦА обеспечивают быстрое отверждение по требованию (секунды под УФ), позволяя производить высокопроизводительные компоненты, такие как модули камеры и датчики. Системы двойного отверждения (УФ с последующим вторичным отверждением от влаги или тепла) обеспечивают теневые области также полностью отверждаются. Низкотемпературное отверждение от тепла (60-80 ° C) жизненно важно для соединений аккумуляторов в электромобилях, где чрезмерное тепло может повредить клетки.

Низкая вязкость и необходимые формулы

По мере увеличения плотности компонентов способность распределять TCA в тонких линиях или точках без натяжения становится необходимой. Недавно сформулированные клеи с низкой вязкостью (<2000 мПа·с) могут быть брошены на небольшие прокладки или в узкие промежутки через пневматические или пьезо-управляемые диспенсеры. Эти материалы также лучше мочат поверхности, уменьшая толщину линии связи до менее 20 мкм и снижая тепловое сопротивление.

Экологическое и нормативное соблюдение

Более строгие правила в отношении летучих органических соединений (ЛОС) и опасных веществ (RoHS, REACH) привели к разработке рецептур TCA без растворителей и с низким содержанием ЛОС. В настоящее время изучаются новые мономеры на биооснове и переработанные наполнители для уменьшения углеродного следа. Многие производители предлагают варианты с рейтингом UL 94 V-0 и без галогенов.

Приложения в производстве электроники

Передовые ТСА нашли применение почти в каждом сегменте сборки электроники. Ниже приведены наиболее значимые области применения.

Потребительская электроника

В смартфонах и планшетах TCA связывают процессор/SoC с экраном EMI или средним каркасом, проводя тепло, защищая чувствительные компоненты. Тонкие, гибкие клеи также защищают батарею без необходимости винтов или зажимов. Для складных телефонов был коммерциализирован растягиваемый TCA, который поддерживает проводимость через повторяющееся изгибание.

Автомобильные и электрические транспортные средства (EV)

Энергетические инверторы, бортовые зарядные устройства и системы управления батареями требуют тепловых клеев, которые выдерживают широкие температурные колебания (-40 ° C до + 150 ° C) и высокие напряжения. Термопроводящие зазорные наполнители (иногда называемые одноразовыми прокладками) заполняют большие зазоры между аккумуляторными элементами и охлаждающими пластинами. [[FLT: 0]] DOWSILTM TC-2035 [[FLT: 1]] является примером однокомпонентного клея быстрого приготовления, предназначенного для электроники EV. Эти материалы также противостоят маслам, смазке и автомобильным жидкостям.

Высокопроизводительные вычислительные и дата-центры

Процессоры, графические процессоры и модули памяти в серверах генерируют огромное тепло на единицу площади. TCA заменяют тепловую смазку в некоторых сборках, где также требуется механическое удержание. Низкомодульные клеи уменьшают нагрузку на крупнотоннажные пакеты во время теплового цикла. С ростом чиплетных архитектур TCA используются для соединения чиплетов с интерпонерами или теплораспределителями, обеспечивая однородные тепловые пути.

Светодиодные осветительные и силовые модули

Высокомощные светодиоды чувствительны к температуре соединения; превышение пределов снижает светоотдачу и продолжительность жизни. TCA устраняют необходимость в винтовых или зажимных устройствах при обеспечении тепловых путей к алюминиевым подложкам. В модулях с изолированным затвором биполярного транзистора (IGBT) электрически изолирующая связь TCAs отмирает к керамическим подложкам, часто работая при изоляции > 10 кВ.

Носимые и медицинские устройства

Носимая электроника требует гибких, биосовместимых клеев, которые могут выдерживать пот и движение. Биосовместимые ТЦА в настоящее время используются в датчиках кожных контактов и имплантируемых устройствах. Их способность связывать изогнутые, миниатюрные поверхности без зазоров упрощает сборку.

Проблемы и будущие направления

Несмотря на впечатляющий прогресс, остается несколько препятствий, прежде чем TCA смогут полностью вытеснить традиционные TIM и припои.

Надежность при экологическом стрессе

Длительное воздействие тепла, влажности и теплового цикла может ухудшить адгезивную связь и сеть наполнителей, увеличивая термическое сопротивление с течением времени. Ускоренные испытания на старение (]Исследование IEEE по надежности TCA ) показывают, что оседание наполнителя и ползучесть полимера являются основными режимами отказа. Исследователи изучают тиксотропные добавки для поддержания наполнителей подвешенными и оптимизации плотности перекрестных связей для сопротивления ползучести.

Стоимость и масштабируемость

Высококачественные нанонаполнители, такие как BN или графен, остаются дорогими. Производственные процессы, которые выравнивают наполнители во время дозирования, добавляют сложности. Однако по мере увеличения объемов производства и улучшения переработки, затраты, по прогнозам, будут снижаться. Разработка масштабируемых методов, таких как выравнивание сдвига при экструзии, является многообещающей.

Проблемы интеграции процессов

Многие сборочные линии оптимизированы для рефлекторного оттока припоя или дозирования термической смазки. Переход на клеевой процесс может потребовать более длительного времени отверждения, дополнительных приспособлений или тщательной очистки. Низкотемпературные, быстроотверждающиеся клеи, которые могут быть интегрированы в существующие линии выбора и размещения, являются областью фокусировки.

Будущие направления исследований

Заглядывая вперед, несколько тенденций будут формировать следующее поколение TCA. Машинное обучение используется для прогнозирования оптимальных морфологий наполнителей и полимерных композиций, уменьшая экспериментальные итерации. Самоисцеляющиеся клеи , которые восстанавливают микротрещины, вызванные тепловым напряжением, могут значительно повысить долгосрочную надежность. Анизотропные тепловые клеи , которые проводят тепло преимущественно в одном направлении (например, через плоскость), в то время как изоляция боково предназначена для 3D-стекленных чипов. Наконец, устойчивые составы из растительных полимеров и переработанных наполнителей будут соответствовать корпоративным нулевым целям.

Заключение

Термопроводящие клеи превратились из нишевых продуктов в основные средства обеспечения современной сборки электроники. С теплопроводностью, превышающей 10 Вт / м · К, надежной электрической изоляцией и универсальными вариантами отверждения, они решают проблемы управления теплом, которые не могут быть решены традиционными материалами. Поскольку плотность мощности устройства продолжает увеличиваться, а процессы сборки требуют большей простоты, TCA будут оставаться динамичной областью инноваций. Инженеры и дизайнеры должны быть в курсе достижений материалов и сотрудничать с поставщиками для выбора оптимального клея для их конкретного применения - баланс производительности, стоимости и технологичности. В предстоящем десятилетии, вероятно, TCA достигнут паритета с припоями во многих приложениях большого объема, изменяя способ сборки и охлаждения электроники.