ค่าการนำความร้อนของวัสดุเชื่อมต่อในการระบายความร้อนสัมพันธ์กับสารตัวเติม

วัสดุเชื่อมต่อในการระบายความร้อนไม่เพียงแต่ใช้กันอย่างแพร่หลายในการกระจายความร้อนของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์เท่านั้น แต่ยังมีความต้องการที่เพิ่มขึ้นในการสื่อสาร 5G, ยานพาหนะพลังงานใหม่ ฯลฯ นอกจากนี้ ยังมีแนวโน้มการใช้งานในวงกว้างในด้านอุปกรณ์ทางทหารและการบินและอวกาศ

เนื่องจากเป็นวัสดุนำความร้อนชนิดหนึ่ง การนำความร้อนจึงเป็นตัวบ่งชี้ทางเทคนิคที่สำคัญที่สุดของวัสดุเชื่อมต่อในการระบายความร้อน วัสดุเชื่อมต่อในการระบายความร้อนที่ใช้กันทั่วไปส่วนใหญ่เป็นชนิดเติม ซึ่งส่วนใหญ่เตรียมโดยการเติมเมทริกซ์โพลีเมอร์ด้วยตัวเติมการนำความร้อนสูง

โดยปกติแล้ว ค่าการนำความร้อนโดยธรรมชาติของเมทริกซ์โพลีเมอร์จะค่อนข้างต่ำ (ประมาณ 0.2W/(m·K)) ดังนั้นค่าการนำความร้อนของวัสดุเชื่อมต่อในการระบายความร้อนจึงมักถูกกำหนดโดยฟิลเลอร์

ประเภทต่างๆ มีค่าการนำความร้อนต่างกัน

ตัวเติมนำความร้อนที่ใช้กันทั่วไปสามารถแบ่งออกเป็นส่วนใหญ่: ตัวเติมนำความร้อนของโลหะ ตัวเติมนำความร้อนของวัสดุคาร์บอน และตัวเติมนำความร้อนอนินทรีย์

โลหะมีค่าการนำความร้อนที่ดีและมีค่าการนำความร้อนสูง ดังนั้นจึงเป็นสารตัวเติมนำความร้อนที่ใช้กันทั่วไป ตัวเติมนำความร้อนของโลหะที่ใช้กันทั่วไปส่วนใหญ่ประกอบด้วยผงทอง ผงเงิน ผงทองแดง ผงอลูมิเนียม ผงสังกะสี ผงนิกเกิล และโลหะผสมที่มีจุดหลอมเหลวต่ำ

โดยทั่วไป วัสดุคาร์บอนมีค่าการนำความร้อนสูงมาก ดีกว่าสารตัวเติมที่เป็นโลหะด้วยซ้ำ ค่าการนำความร้อนโดยธรรมชาติของตัวเติมคาร์บอนที่เติมเข้าไปเป็นหนึ่งในพารามิเตอร์ที่สำคัญที่สุดที่กำหนดค่าการนำความร้อนของพอลิเมอร์คอมโพสิตที่มีคาร์บอนเป็นส่วนประกอบหลัก วัสดุคาร์บอนที่ใช้กันทั่วไป ได้แก่ กราไฟท์ ท่อนาโนคาร์บอน กราฟีน กราไฟท์ขยาย คาร์บอนไฟเบอร์ และคาร์บอนแบล็ค ท่อนาโนคาร์บอนมีค่าการนำความร้อนที่ 3100-3500W/(m·K) และกราฟีนมีค่าการนำความร้อนที่ 2000-5200W/(m·K) ทำให้มีแนวโน้มว่าจะเป็นตัวเลือกสำหรับการใช้งานด้านการจัดการความร้อน

ฟิลเลอร์เซรามิกไม่เพียงแต่มีค่าการนำความร้อนที่ดี แต่ยังมีค่าการนำไฟฟ้าค่อนข้างต่ำอีกด้วย ปัจจุบันเป็นสารตัวเติมที่ใช้กันอย่างแพร่หลายที่สุด สารตัวเติมเซรามิกที่ใช้กันทั่วไปส่วนใหญ่ประกอบด้วยออกไซด์และไนไตรด์ ออกไซด์ ได้แก่ Al2O3, ZnO, MgO ฯลฯ ไนไตรด์ ได้แก่ AlN, BN เป็นต้น

รูปร่างต่างกัน ค่าการนำความร้อนต่างกัน

สารตัวเติมนำความร้อนมีรูปร่างหลากหลาย เช่น ทรงกลม ไม่สม่ำเสมอ เป็นเส้น ๆ และเป็นขุย เมื่อเปรียบเทียบกับวัสดุศูนย์มิติ วัสดุหนึ่งมิติ (เช่น ท่อนาโนคาร์บอน เส้นใยคาร์บอน ฯลฯ) และวัสดุสองมิติ (เช่น กราฟีน โบรอนไนไตรด์หกเหลี่ยม อลูมินาที่ไม่สม่ำเสมอ ฯลฯ) ที่มีอัตราส่วนกว้างยาวเป็นพิเศษ พื้นที่สัมผัสขนาดใหญ่ที่เกิดขึ้นระหว่างฟิลเลอร์ทำให้มีเส้นทางการส่งผ่านโฟนันที่กว้างขึ้น ลดความต้านทานความร้อนของหน้าสัมผัสอินเทอร์เฟซ และเอื้อต่อการสร้างเครือข่ายนำความร้อนในระบบ อย่างไรก็ตาม เนื่องจากฟิลเลอร์ทรงกลมไม่ทำให้ความหนืดเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วที่ระดับการบรรจุสูง จึงมีการใช้กันอย่างแพร่หลายในอุตสาหกรรม

ขนาดต่างกัน ค่าการนำความร้อนต่างกัน

ขนาดของฟิลเลอร์นำความร้อนยังส่งผลกระทบอย่างมีนัยสำคัญต่อการนำความร้อนของคอมโพสิตนำความร้อนอีกด้วย

เมื่อฟิลเลอร์มีขนาดเดียวและปริมาณการบรรจุเท่ากัน ค่าการนำความร้อนของคอมโพสิตที่เติมด้วยฟิลเลอร์ขนาดอนุภาคขนาดใหญ่มีแนวโน้มที่จะสูงกว่าค่าการนำความร้อนของคอมโพสิตที่เติมด้วยฟิลเลอร์ขนาดอนุภาคขนาดเล็ก เนื่องจากมีส่วนต่อประสานระหว่างอนุภาคขนาดใหญ่น้อยลง ความต้านทานความร้อนของอินเทอร์เฟซต่ำ อย่างไรก็ตาม ขนาดอนุภาคต้องไม่ใหญ่เกินไป มิฉะนั้น สารตัวเติมจะไม่สามารถสร้างการอัดแน่นได้ ซึ่งไม่เอื้อต่อการก่อตัวของเส้นทางนำความร้อน

การปรับเปลี่ยนพื้นผิวในระดับต่างๆ มีค่าการนำความร้อนต่างกัน

เพื่อที่จะแก้ปัญหาความต้านทานความร้อนระหว่างพื้นผิว การทำงานทางเคมีของสารตัวเติมบนพื้นผิวถือเป็นวิธีการที่มีประสิทธิภาพ การทำงานทางเคมีของพื้นผิวของฟิลเลอร์สามารถสร้างสะพานโควาเลนต์ที่ปรับปรุงการยึดเกาะของพื้นผิวและลดการกระเจิงของโฟนอนระหว่างผิวหน้าโดยการเชื่อมต่อระหว่างอนุภาค – เรซินและส่วนต่อประสานของอนุภาค – อนุภาค เพื่อปรับปรุงการนำความร้อนของพอลิเมอร์คอมโพสิต จึงได้มีการปรับสภาพพื้นผิวกับสารตัวเติมต่างๆ เช่น ท่อนาโนโบรอนไนไตรด์ กราฟีน เป็นต้น

ความบริสุทธิ์และค่าการนำความร้อนต่างกัน

สิ่งเจือปนในฟิลเลอร์ไม่เพียงแต่ส่งผลต่อคุณสมบัติทางไฟฟ้าของวัสดุเชื่อมต่อในการระบายความร้อนเท่านั้น แต่ยังมีผลกระทบต่อประสิทธิภาพของกระบวนการอีกด้วย