مادة التوصيل الحراري

📅 آخر تحديث: ٢٧ يوليو ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ٢٧ يوليو ٢٠٢٦
الموسوعة الحرة

مادة التوصيل الحراري ( TIM ) هي أي مادة يتم إدخالها بين مكونين لتعزيز التوصيل الحراري بينهما. [ 1 ] ومن الاستخدامات الشائعة تبديد الحرارة، حيث يتم إدخال مادة التوصيل الحراري بين جهاز مولد للحرارة (مثل دائرة متكاملة ) وجهاز مبدد للحرارة (مثل مشتت حراري ).

ملخص

تُجرى دراسات مكثفة لتطوير أنواع متعددة من مواد التوصيل الحراري (TIM) ذات تطبيقات مستهدفة مختلفة. عند كل سطح تلامس، توجد مقاومة حرارية تعيق تبديد الحرارة. إضافةً إلى ذلك، قد يتدهور أداء الأجهزة الإلكترونية وعمرها الافتراضي بشكل كبير في ظل ارتفاع درجة الحرارة المستمر والإجهاد الحراري العالي عند أسطح التلامس.

لقد تم تخصيص العديد من الجهود الحديثة لتطوير وتحسين مواد التوصيل الحراري: [ 1 ] وتشمل هذه الجهود تقليل مقاومة الحدود الحرارية بين الطبقات وتعزيز أداء الإدارة الحرارية، مع معالجة متطلبات التطبيق مثل الإجهاد الحراري المنخفض بين المواد ذات معاملات التمدد الحراري المختلفة ، ومعامل المرونة المنخفض أو اللزوجة ، فضلاً عن ضمان المرونة وإمكانية إعادة الاستخدام.

  • المعجون الحراري : يُستخدم بشكل أساسي في صناعة الإلكترونيات ، حيث يوفر طبقة ربط رقيقة جدًا، وبالتالي مقاومة حرارية منخفضة للغاية . لا يتمتع المعجون الحراري بأي قوة ميكانيكية (باستثناء التوتر السطحي للمعجون وتأثير الالتصاق الناتج)، ويتطلب آلية تثبيت ميكانيكية خارجية. ولأنه لا يتصلب، يُستخدم المعجون الحراري عادةً فقط في الأماكن التي يمكن احتواء المادة فيها، أو في التطبيقات الرقيقة حيث تسمح لزوجة المعجون ببقائه في مكانه أثناء الاستخدام.
  • اللاصق الحراري : كما هو الحال مع المعاجين الحرارية، توفر المواد اللاصقة الحرارية طبقة ربط رقيقة جدًا، ولكنها تُعزز قوة الربط الميكانيكية بعد التصلب. وبينما يمكن استخدام مواد التوصيل الحراري المتصلبة، مثل المواد اللاصقة الحرارية، خارج غلاف أشباه الموصلات ، إلا أنها تُستخدم غالبًا داخل الغلاف الحراري، نظرًا لأن خصائص تصلبها تُحسّن الموثوقية في ظل مختلف الضغوط الحرارية. [ 2 ] تتوفر المواد اللاصقة الحرارية بتركيبات أحادية المكون وثنائية المكون، وغالبًا ما تحتوي على إضافات لتحسين التوصيل الحراري، بما في ذلك مواد مالئة صلبة (أكاسيد المعادن، أسود الكربون ، أنابيب الكربون النانوية ، إلخ)، [ 3 ] أو قطرات من المعدن السائل. [ 4 ]
  • مادة حشو الفجوات الحرارية، أو "معجون حراري": يمكن وصفها بأنها "معجون حراري سريع التصلب" أو "غراء حراري غير لاصق". توفر هذه المادة خطوط ربط أكثر سمكًا من المعجون الحراري العادي، حيث تتصلب مع الحفاظ على سهولة الفك، وذلك بفضل خاصية الالتصاق المحدودة.
  • الوسادة الحرارية الموصلة : على عكس مواد التوصيل الحراري السابقة التي كانت سائلة، تُصنع الوسادات الحرارية وتُستخدم في حالة صلبة (وإن كانت غالبًا لينة). تُصنع الوسادات الحرارية في الغالب من السيليكون أو مادة شبيهة بالسيليكون، وتتميز بسهولة تركيبها. توفر هذه الوسادات خطوط ربط أكثر سمكًا (يتراوح سمكها من بضع مئات من الميكرومترات إلى بضعة ملليمترات) لتناسب الأسطح غير المستوية وحتى الأسطح متعددة المكونات، ولكنها عادةً ما تتطلب قوة أكبر لضغط المشتت الحراري على مصدر الحرارة، حتى تتطابق الوسادة الحرارية مع الأسطح المراد ربطها.
  • الشريط الحراري: تلتصق هذه المواد بالأسطح المراد لصقها، ولا تتطلب وقتاً للتصلب، كما أنها سهلة الاستخدام. وعلى غرار الوسادات الحرارية، تُشحن عادةً بشكل صلب ولكنه مرن، وتتوفر بسماكات متنوعة تتجاوز بضع مئات من الميكرومترات.
  • مواد التوصيل الحراري المعدنية (مواد التوصيل الحراري المعدنية): تتميز المواد المعدنية بموصلية حرارية كلية أعلى بكثير، بالإضافة إلى أقل مقاومة للتوصيل الحراري. وتُترجم هذه الموصلية العالية إلى حساسية أقل لسمك طبقة الربط ومشاكل التسطح مقارنةً بمواد التوصيل الحراري البوليمرية. [ 5 ] تشمل المعادن الشائعة المستخدمة كمواد توصيل حراري سبائك الإنديوم اللينة نسبيًا، بالإضافة إلى الفضة المُلبدة .

تغير الطور

تدّعي بعض مواد التوصيل الحراري أنها "مواد تغيير الطور" (PCM). يجب عدم الخلط بين هذا المصطلح ومعناه المعتاد ، أي مادة تمتص كمية كبيرة من الحرارة عند انصهارها. بدلاً من ذلك، يشير هذا المصطلح إلى قدرة المادة على التليين عند درجات حرارة التشغيل العادية، والتي تتراوح عادةً بين 55 و60 درجة مئوية. بعد تليينها، تصبح قادرة على ملء جميع الفراغات بين مصدر الحرارة والمشتت الحراري تمامًا مثل المعجون الحراري العادي. [ 6 ]

قد تتطلب مادة PCM فترة "تشغيل أولي" لتليينها وتحقيق ملاءمة مثالية. بعد تحقيق ملاءمة جيدة، قد يصعب إزالة المشتت الحراري من سطح الشريحة/الغطاء، حيث يمكن لمادة PCM أن تتغلغل في عيوب مجهرية على كلا السطحين وتتصلب.

تُصنع جميع الوسادات الموصلة للحرارة تقريباً من مواد تغيير الطور. كما تُصنع بعض المعاجين الحرارية الحديثة أيضاً من مواد تغيير الطور، وذلك بهدف مقاومة تسربها.

تعتبر مواد التوصيل الحراري المعدنية المصنوعة من سبائك الإنديوم أيضاً مواد متغيرة الطور، لأنها أيضاً تصبح أكثر ليونة. [ 7 ]

انظر أيضاً

مراجع

  1. 1 2 كوي، ي.؛ لي، م.؛ هو، ي. (2020). "مواد الواجهة الناشئة لإدارة الحرارة في الإلكترونيات: التجارب، والنمذجة، والفرص الجديدة". مجلة كيمياء المواد ج . 8 (31): 10568-10586 . doi : 10.1039/C9TC05415D .
  2. ↑ كيرني، أندرو؛ لي، لي؛ سانفورد، شون (2009). "التفاعل بين TIM1 وTIM2 لتعزيز المتانة الميكانيكية لموزع الحرارة المتكامل". المؤتمر السنوي الخامس والعشرون لمعهد مهندسي الكهرباء والإلكترونيات (IEEE) حول قياس وإدارة الحرارة لأشباه الموصلات ، 2009. الصفحات 293-298 . doi : 10.1109/STHERM.2009.4810778 . ISBN  978-1-4244-3664-4. S2CID 29501079 . 
  3. ↑ ليو، يوهان؛ ميشيل، برونو؛ رينكز، مارتا؛ تانتولين، كريستيان؛ سارنو، كلود؛ ميسنر، رالف؛ شوئت، كلاوس-فولكر؛ تانغ، شينهي؛ ديموستييه، سيباستيان (2008). "التقدم الأخير في أبحاث مواد التوصيل الحراري - نظرة عامة". ورشة العمل الدولية الرابعة عشرة لعام 2008 حول التحقيق الحراري للدوائر المتكاملة والأنظمة . الصفحات 156-162 . doi : 10.1109/THERMINIC.2008.4669900 . ISBN  978-1-4244-3365-0. S2CID 40595787 . 
  4. ↑ بارتليت، مايكل؛ كاظم، نافيد؛ باول-بالم، ماثيو؛ هوانغ، شياونان؛ صن، وينهوان؛ مالين، جوناثان؛ مجيدي، كارميل (2017). "التوصيل الحراري العالي في المطاطات اللينة ذات شوائب المعادن السائلة المطولة" . وقائع الأكاديمية الوطنية للعلوم . 114 (9): 2143-2148 . Bibcode : 2017PNAS..114.2143B . doi : 10.1073/pnas.1616377114 . PMC 5338550. PMID 28193902 .  
  5. ↑ جاريت، روبرت ن.؛ روس، جوردان ب.؛ بيرنتسون، روس (سبتمبر 2007). "مواد التوصيل الحراري المعدنية الكاملة". تصميم أنظمة الطاقة في أوروبا .
  6. ↑ "تغيير الطور" . شركة لايرد تكنولوجيز .
  7. ↑ "مواد التوصيل الحراري المعدنية ذات التغير الطوري | مواد التوصيل الحراري" . شركة إنديوم .