Làm thế nào để đạt được sự kết hợp hoàn hảo giữa độ dẫn nhiệt cao, tính linh hoạt và độ bật lại cao của miếng đệm nhiệt?

Sự phát triển nhanh chóng của công nghệ thông tin đã đẩy nhanh sự xuất hiện của kỷ nguyên thông minh và các sản phẩm điện tử khác nhau với tư cách là nhà cung cấp dịch vụ liên tục được cập nhật và thay thế. Xu hướng phát triển của công suất cao, tích hợp cao và thu nhỏ đã khiến các vấn đề về tản nhiệt và độ tin cậy ngày càng khó khăn và dần trở thành điểm nghẽn trong thiết kế sản phẩm điện tử. Thông qua quản lý nhiệt, các hệ thống hoặc thiết bị công suất cao có thể kiểm soát và quản lý nhiệt sinh ra một cách hiệu quả để đảm bảo rằng thiết bị của hệ thống hoạt động ở mức nhiệt độ chấp nhận được, cuối cùng là đảm bảo độ tin cậy, hiệu suất và tuổi thọ của hệ thống.

Vật liệu giao diện nhiệt (TIM) là vật liệu được sử dụng để cải thiện khả năng truyền nhiệt giữa hai bề mặt, điển hình là nguồn nhiệt (như bộ xử lý máy tính) và tản nhiệt (như tản nhiệt kim loại hoặc hệ thống làm mát khác).

Giới thiệu về TIM

Độ bền nhiệt của giao diện là một trong những nghiên cứu quan trọng về tản nhiệt, quyết định khả năng tản nhiệt của chip bán dẫn, sản phẩm điện tử, điện thoại di động, pin ô tô, v.v., từ đó ảnh hưởng đến hiệu suất và độ ổn định của chúng. Không khí là chất dẫn nhiệt kém điển hình và có nhiều khoảng trống giao diện trên bề mặt rắn cực nhỏ tại điểm tiếp xúc giao diện. Do có không khí nên hiệu suất tản nhiệt rất thấp.

Nếu không khí được loại bỏ một cách hiệu quả để làm cho tiếp xúc giữa thiết bị và tản nhiệt gần hơn, thì điện trở nhiệt tiếp xúc với giao diện có thể giảm và có thể thiết lập kênh truyền nhiệt hiệu quả, từ đó tối đa hóa hiệu quả tản nhiệt. TIM là sản phẩm dẫn nhiệt giữa hai hoặc nhiều bề mặt rắn. Việc lấp đầy TIM giữa các cấu trúc khác nhau trên đường tản nhiệt có thể xả không khí giữa các khoảng trống một cách hiệu quả, đẩy nhanh quá trình dẫn nhiệt điểm nóng bằng cách tăng diện tích tiếp xúc, cải thiện hiệu quả quá trình truyền nhiệt giữa hai bề mặt và nâng cao hiệu quả quản lý nhiệt hệ thống.

TIM thường là vật liệu tản nhiệt được làm từ vật liệu polymer làm chất nền và chứa đầy các hạt dẫn nhiệt. Khi kích thước của chip giảm, khả năng tích hợp và mật độ năng lượng tiếp tục tăng, nhiệt sinh ra trong quá trình hoạt động của chip tăng lên, dẫn đến nhiệt độ chip tăng liên tục, ảnh hưởng nghiêm trọng đến hiệu suất, độ tin cậy và tuổi thọ của các linh kiện điện tử cuối cùng. Vật liệu giao diện nhiệt cần có độ dẫn nhiệt cao và độ linh hoạt cao để đảm bảo có thể lấp đầy các khoảng trống trên bề mặt tiếp xúc trong điều kiện áp suất lắp đặt thấp, đảm bảo điện trở nhiệt tiếp xúc giữa vật liệu giao diện nhiệt và bề mặt tiếp xúc là rất nhỏ , đồng thời đảm bảo tính cách nhiệt và không độc hại. Chất độn dẫn nhiệt được chia thành ba loại: vật liệu kim loại, gốm và carbon, trong khi vật liệu ma trận chủ yếu là dầu silicon, cao su và vật liệu nhựa. Các vật liệu giao diện dẫn nhiệt phổ biến bao gồm mỡ silicon dẫn nhiệt, gel dẫn nhiệt, miếng dẫn nhiệt, vật liệu thay đổi pha, v.v.

Hiện nay, các hướng nghiên cứu chính có lẽ là vật liệu dẫn nhiệt có cấu trúc định hướng, đa chức năng và vật liệu dẫn nhiệt không có hệ thống silicon. Tính đa chức năng của vật liệu dẫn nhiệt chủ yếu đề cập đến việc bổ sung các chức năng khác hoặc yêu cầu cao hơn về hiệu suất ngoài tính dẫn nhiệt trên cơ sở có tính dẫn nhiệt. Mục đích của đa chức năng chủ yếu là để đáp ứng nhu cầu của các tình huống dẫn nhiệt khác nhau, nhằm đạt được sự tích hợp chức năng, tối ưu hóa cấu trúc thiết bị và cải thiện hơn nữa hiệu suất toàn diện trong khi tản nhiệt.

Ví dụ, một trong những phương pháp truyền thống để cải thiện tính dẫn nhiệt của chất nền là tăng hàm lượng chất độn vì nó có tính dẫn nhiệt cao, độ bật lại cao và tính linh hoạt. Chất độn dẫn nhiệt bằng kim loại và gốm truyền thống có độ bền cơ học cao và việc tăng hàm lượng của chúng có thể dẫn đến giảm tính linh hoạt và độ đàn hồi của ma trận, hạn chế khả năng xử lý và ứng dụng của vật liệu trong một số trường hợp đặc biệt. Do đó, việc phát triển các vật liệu giao diện nhiệt có độ dẫn nhiệt cao, tính linh hoạt và khả năng phục hồi cao đã trở thành một trong những trọng tâm phát triển. Vậy ngành giải quyết vấn đề này như thế nào?

Có phải không thể cân bằng được độ dẫn nhiệt cao, độ bật lại cao và độ cứng Shore của TIM?

Như đã biết, thách thức chính đối với độ tin cậy của các sản phẩm điện tử đến từ hệ số giãn nở nhiệt (CTE), thường được gọi là 'sự giãn nở và co lại nhiệt'. CTE là một đặc tính của bản thân vật liệu và do CTE không khớp giữa các thiết bị điện tử, biến dạng uốn xảy ra khi nhiệt độ hoạt động tăng hoặc giảm, như thể hiện trong hình sau:

Theo thời gian, sự biến dạng và nén lặp đi lặp lại của vật liệu giao diện nhiệt giữa các khoảng trống có thể khiến các khoảng trống xuất hiện, do đó ảnh hưởng đến hiệu quả tản nhiệt. Và nhiều thiết bị công suất cao, để đáp ứng các yêu cầu như 'bảo tồn năng lượng và giảm phát thải' và 'trung hòa carbon', sẽ kích hoạt chế độ thủy triều, có nghĩa là trong thời gian nhu cầu cao điểm, nguồn điện sẽ được bật hoàn toàn và trong thời gian thấp trong những khoảng thời gian có nhu cầu như đêm khuya đến sáng sớm, nguồn điện của hệ thống sẽ bị giảm hoặc tắt, tương đương với việc thực hiện chu kỳ lão hóa nhiệt độ trên phôi hàng ngày. Điều này chắc chắn làm trầm trọng thêm tác động của CTE.

Ngành công nghiệp sản xuất điện tử đã sử dụng các miếng đệm dẫn nhiệt dựa trên silicon truyền thống trong nhiều thập kỷ, chủ yếu bao gồm nhựa silicon hữu cơ và các loại chất độn dẫn nhiệt khác nhau. Đặc điểm tự nhiên mà chế phẩm này mang lại là bản thân thành phẩm hoàn toàn không có đặc tính đàn hồi nén. Sau quá trình nén chip và mô-đun tản nhiệt trong thời gian dài ở cấp độ vi mô, cùng với tác động của điều kiện làm việc khắc nghiệt,

đặc biệt là nhiệt độ cao, trên thân vật liệu, theo thời gian, sự tách rời giao diện không thể đảo ngược 'Sự phân tách' sẽ dần xuất hiện trên một bề mặt tiếp xúc nhất định, dẫn đến khả năng chịu nhiệt của giao diện tăng đáng kể và không thể tiếp tục cung cấp đường dẫn nhiệt tốt, cuối cùng dẫn đến hư hỏng nhiệt của chip hoặc thậm chí toàn bộ máy.

Để giải quyết những vấn đề như vậy, ngành công nghiệp đang dần chú ý đến các vật liệu dẫn nhiệt có đặc tính hồi phục cao. Tuy nhiên, như đã đề cập trước đó, trong con đường phát triển truyền thống của vật liệu dẫn nhiệt, đặc tính đàn hồi của vật liệu bị hạn chế bởi các yếu tố sau, trở thành một trở ngại không thể vượt qua:

Với sự phát triển của đặc tính nguyên liệu thô và nâng cấp phương pháp thử nghiệm, nhiều nhà sản xuất vật liệu dẫn nhiệt đã có thể kiểm soát hiệu quả độ cứng của miếng đệm nhiệt trong những năm gần đây, do đó đáp ứng được nhiều tình huống ứng dụng tản nhiệt khác nhau cho khách hàng. Tuy nhiên, trong phạm vi độ cứng của Shore 00, việc tạo ra các vật liệu giao diện nhiệt có đặc tính bật lại cao là một thách thức đối với toàn bộ ngành, đặc biệt là trong các trường hợp dẫn nhiệt cực cao. Do hàm lượng bột dẫn nhiệt tăng lên nên 'đặc tính bột' của vật liệu là rõ ràng. Để đạt được sự cân bằng giữa độ dẫn nhiệt, độ bật lại và độ cứng Shore 00, điều đó gần như đã trở thành một 'tam giác không thể'.

Các miếng đệm dẫn nhiệt cực cao, do nhu cầu 'tải' chất độn dẫn nhiệt đủ cao, có thể làm suy giảm nhanh chóng các tính chất cơ học (độ mềm và khả năng đàn hồi) của vật liệu trong quá trình sử dụng lâu dài trong môi trường khắc nghiệt, khiến nó không thể đáp ứng yêu cầu về độ tin cậy lâu dài.