TẤM dán TRUYỀN dẫn NHIỆT TRUNG GIAN dựa TRÊN CAO SU SILICONE kết hợp với AL2O3

TẤM DÁN TRUYỀN DẪN NHIỆT TRUNG GIAN DỰA TRÊN CAO SU SILICONE KẾT HỢP VỚI AL2O3 Nhiệt lượng được tạo ra trong quá trình hoạt động của thiết bị, hệ thống được tản ra bên ngoài bằng bộ phận tản nhiệt như: quạt, bộ phận chuyển đổi nhiệt... Thông thường, thiết bị được tiếp xúc trực tiếp với bộ phận tản nhiệt. Tuy nhiên, các bề mặt thiết bị và bộ phận tản nhiệt thường không bằng phẳng. Khi quan sát dưới cấp độ vi mô ta sẽ thấy đó là một bề mặt gồ ghề, mấp mô. Điều này dẫn đến hơn 99% bề mặt tiếp giáp bị tách ra bởi các kẽ hở không khí, diện tích truyền nhiệt thực tế là rất nhỏ so với diện tích mà ta quan sát được. Trong khi đó, không khí có độ dẫn nhiệt rất thấp (kair = 0,026 WmK) 1, làm cản trở nhiệt truyền từ thiết bị qua bộ phận tản nhiệt. Khi đó, hiệu suất tản nhiệt sẽ bị giới hạn dẫn đến tản nhiệt không hiệu quả

KHOA KHOA HỌC VẬT LIỆU

BỘ MÔN VẬT LIỆU NANO & MÀNG MỎNG

- - QUÁCH THỊ NGỌC ANH

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

Lời cảm ơn

Trong thời gian làm đồ án tốt nghiệp, em đã nhận được nhiều sự giúp đỡ,

đóng góp ý kiến và chỉ bảo nhiệt tình của thầy cô, gia đình và bạn bè

Em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến T.s Đỗ Hữu Quyết, nghiên cứu viên-

Trung tâm nghiên cứu triển khai đã tận tình hướng dẫn, chỉ bảo em trong suốt quá

trình làm khoá luận Bên cạnh đó, em cũng không quên gửi lời cảm ơn đến các anh

chị nghiên cứu viên, cũng như các bạn sinh viên cùng làm đề tài tại phòng công

nghệ nano Các anh chị và các bạn là nguồn động viên tinh thần, đồng thời đã chia

sẻ kinh nghiệm và tạo điều kiện thuận lợi để em hoàn thành khóa luận

Em cũng xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo trong trường ĐH Khoa học

tự nhiên TPHCM nói chung, các thầy cô trong Bộ môn Vật liệu nano và màng

mỏng nói riêng đã dạy dỗ cho em kiến thức về các môn đại cương cũng như các

môn chuyên ngành, giúp em có được cơ sở lý thuyết vững vàng và tạo điều kiện

giúp đỡ em trong suốt quá trình học tập

Cuối cùng, em xin chân thành cảm ơn gia đình và bạn bè, đã luôn tạo điều

kiện, quan tâm, giúp đỡ, động viên em trong suốt quá trình học tập và hoàn thành

khoá luận tốt nghiệp

Quách Thị Ngọc Anh

MỤC LỤC

Lời cảm ơn i

MỤC LỤC iii

DANH MỤC BẢNG v

DANH MỤC HÌNH ẢNH vi

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT viii

LỜI GIỚI THIỆU 1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 2

1.1 Giới thiệu tổng quan về vật liệu 2

1.1.1 Sơ lược về vật liệu truyền dẫn nhiệt trung gian (Thermal interfaces materials- TIMs) 2

1.1.2 Cấu tạo và các thông số ảnh hưởng đến TIMs 4

1.1.3 Phân loại TIMs 9

1.2 Tấm dán tản nhiệt 11

1.2.1 Vật liệu 11

1.2.2 Cơ chế truyền nhiệt trong tấm dán 16

1.3 Phương pháp phân tích 18

1.3.1 Đo nhiệt trở theo tiêu chuẩn ASTM-D5470 18

1.3.2 Quan sát hình thái học bằng kính hiển vi điện tử quét phân giải cao (FE-SEM) 21

1.3.3 Đo sự sụt giảm khối lượng theo nhiệt độ (TGA) 21

CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM 23

2.1 Hóa chất và dụng cụ 23

2.1.1 Hóa chất 23

2.1.2 Dụng cụ 23

2.2 Nội dung thí nghiệm 25

2.2.1 Chế tạo tấm dán theo tỉ lệ cao su silicon (SiK) và silicon dầu (SiD) 25

2.2.2 Chế tạo tấm dán với tỉ lệ cao su silicon (SiK) và hạt Al2O3 26

2.2.3 Chế tạo tấm dán dựa trên hỗn hợp silicon (Si) với Al2O3 26

2.2.4 Chế tạo tấm dán với tỉ lệ giữa các hạt Al2O3 có kích thước khác nhau 27

CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ BIỆN LUẬN 29

3.1 Kiểm tra vật liệu ban đầu 29

3.2 Quan sát hình thái học mẫu tấm dán truyền dẫn nhiệt trung gian 30

3.3 Kiểm tra độ ổn định nhiệt 31

3.4 Kiểm tra nhiệt trở 33

3.4.1 Kiểm tra nhiệt trở của mẫu tấm dán với thành phần cao su silicon pha trộn dầu silicon 33

3.4.2 Kiểm tra nhiệt trở của mẫu tấm dán với thành phần cao su silicon pha trộn Al2O3 34

3.4.3 Kiểm tra nhiệt trở của mẫu tấm dán với thành phần hỗn hợp silicon pha trộn Al2O3 35

3.4.4 Kiểm tra nhiệt trở của mẫu tấm dán với thành phần hỗn hợp Al2O3 với các kích thước khác nhau 36

3.5 Độ dẫn nhiệt 37

3.6 Thử nghiệm trên máy tính 39

CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 40

4.1 Kết luận 40

4.2 Hướng phát triển 41

TÀI LIỆU THAM KHẢO 42

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1.1 Tóm tắt các đặc tính của các loại TIMs [10] 11

Bảng 1.2 Tính chất của polydimethylsiloxanes theo khối lượng phân tử[14] 14

Bảng 1.3 Một vài thông số đặc trưng về tính chất vật lí và hóa học của nhôm oxit

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1 Bề mặt gồ ghề giữa bộ phận tản nhiệt và thiết bị khi được thêm vào chất

truyền dẫn nhiệt trung gian.[1] 3

Hình 1.2 Giản đồ các thành phần nhiệt trở khác nhau của TIMs [10] 4

Hình 1.3 Hình biểu diễn độ dẫn nhiệt của tấm dán nhiệt với các hạt dẫn nhiệt Al2O3 và ZnO theo phần trăm thể tích hạt [1] 5

Hình 1.4 Phương trình đường thẳng ngoại suy độ dẫn nhiệt [11] 7

Hình 1.5 Cấu trúc phân tử của cao su silicon 11

Hình 1.6 So sánh tính chất của các loại cao su khác nhau so với cao su thiên nhiên[13] 12

Hình 1.7 Thế đánh thủng điện môi của silicon theo độ dày[13] 13

Hình 1.8 Độ dẫn nhiệt của cao su silicon so với một số loại vật liệu khác[13] 13

Hình 1.9 Cấu trúc phân tử của dầu silicon 14

Hình 1.10 Cấu trúc phân tử và tinh thể nhôm oxit Al2O3 15

Hình 1.11 Mô hình hạt dẫn nhiệt phân tán trong chất nền polyme tương ứng với a) hạt dẫn nhiệt kích thước nhỏ; b) hạt dẫn nhiệt kích thước lớn; c) sự pha trộn của hai kích thước hạt khác nhau 17

Hình 1.12 Cấu tạo hệ đo nhiệt trở theo tiêu chuẩn ASTM-D5470 19

Hình 1.13 Các bước thử nghiệm hiệu quả tản nhiệt của tấm dán trên máy tính 21

Hình 2.1 Kính hiển vi điện tử quét (FE-SEM) 23

Hình 2.2 Hệ đo nhiệt ASTM- D5470 24

Hình 2.3 Máy khuấy đũa 24

Hình 3.1 Ảnh chụp SEM của bột Al2O3: a) A-42 và b) A-12 29

Hình 3.2 Ảnh chụp mặt cắt ngang của tấm dán a) Si_AO42_1:2, b)Si_AO12_1:1, c) Si_AO_1:1 30

Hình 3.3 Kết quả kiểm tra TGA của mẫu chỉ sử dụng Silicon (Si) và mẫu sử dụng hỗn hợp Silicon và Al2O3 với tỉ lệ 1:2 (Si_AO_1:1,5) 31

Hình 3.4 Kết quả kiểm tra nhiệt trở theo của mẫu tấm dán SiD/SiK theo các tỉ số khối lượng khác nhau 33

Hình 3.5 Kết quả kiểm tra nhiệt trở theo tỉ lệ hạt Al2O3 của mẫu tấm dán với thành

phần cao su silicon pha trộn Al2O3 (A-42) 34

Hình 3.6 Kết quả đo nhiệt trở theo tỉ lệ Al2O3 của tấm dán với thành phần hỗn hợp

silicon pha trộn Al2O3 (A-42) 35

Hình 3.7: Kết quả kiểm tra nhiệt trở của các mẫu tấm dán với thành phần sử dụng

Al2O3 với hai kích thước khác nhau (A12/A42) 36

Hình 3.8 Kết quả đo nhiệt trở theo các bề dày khác nhau của mẫu APT Led,

Si_AO42_1:2 và Si_AO12_1:1 37

Hình 3.9 Kiểm tra hiệu quả tản nhiệt trên máy tính 39

Hình 4.1 Một số ứng dụng tiềm năng của TIMs 41

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT

BLT Bond Line Thickness Độ dày liên kết

TIMs Thermal interface materials Vật liệu truyền dẫn nhiệt trung gian

LỜI GIỚI THIỆU

Tấm dán truyền dẫn nhiệt trung gian được tạo ra từ nền là chất đàn hồi trộn

với các hạt gốm hoặc kim loại có độ dẫn nhiệt cao đã được nghiên cứu, chế tạo

cũng như thương mại hóa sản phẩm Tuy nhiên nghiên cứu chế tạo tấm dán truyền

dẫn nhiệt trung gian nói riêng hay TIMs nói chung còn khá mới mẻ tại Việt Nam

Sự bùng nổ về các sản phẩm đèn chiếu sáng LED công suất cao, điện thoại thông

minh, các thiết bị năng lượng mặt trời, đòi hỏi các giải pháp truyền và tản nhiệt

hiệu quả Các TIMs giữa linh kiện và bộ tản nhiệt đóng một vai trò cực kì quan

trọng TIMs có nhiều loại như tấm dán, keo, vật liệu chuyển pha trong đó TIMs

dạng keo cho thấy hiệu quả dẫn nhiệt cao hơn so với các dạng vật liệu khác Tuy

nhiên nó cũng tồn tại nhiều khuyết điểm như nguy cơ chảy lỏng, phân tách pha, khó

khăn về mặt thao tác Đặc biệt là khi ứng dụng cho các thiết bị có diện tích lớn

TIMs dạng keo không còn thể hiện được hiệu quả truyền dẫn nhiệt tốt Để khắc

phục các nhược điểm của keo người ta sử dụng tấm dán có các ưu điểm như dễ

dàng lắp ráp, độ ổn định nhiệt cao, tương thích tốt với các bề mặt gồ ghề

Với tiềm năng thị trường rộng lớn của sản phẩm tấm dán truyền dẫn nhiệt, đề

tài tốt nghiệp của em sẽ tập trung vào công việc chế tạo tấm dán truyền dẫn nhiệt

trung gian sử dụng chất nền là silicon trộn với hạt nhôm oxit Al2O3 có độ dẫn nhiệt

cao Nội dung đề tài sẽ tiến hành phân tích sự ảnh hưởng của nồng độ silicon và hạt

Al2O3 đến độ dẫn nhiệt, hệ số dãn nở nhiệt, độ ổn định nhiệt của tấm dán Với đề tài

nghiên cứu này, em mong muốn chế tạo ra tấm dán có nhiệt trở thấp, độ dẫn nhiệt

cao, ổn định nhiệt cao với kích thước lớn nhằm thương mại hóa sản phẩm

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

1.1 Giới thiệu tổng quan về vật liệu

1.1.1 Sơ lược về vật liệu truyền dẫn nhiệt trung gian (Thermal interfaces

materials- TIMs)

Hiện nay, sự phát triển của kĩ thuật điện tử đã giúp làm giảm kích thước của

các transistor, đáp ứng cho nhu cầu ngày càng cao về chức năng tích hợp phức tạp

của các mạch điện tử, từ đó có thể tích hợp nhiều transistor vào một thiết bị giúp

nâng cao hiệu suất làm việc của sản phẩm Tuy nhiên, bên cạnh việc gia tăng về

hiệu suất làm việc của thiết bị cũng dẫn đến sự tăng cao về nhiệt của các thiết bị, hệ

thống khi hoạt động vì vậy đã đặt ra nhu cầu làm mát Như ta biết rằng, tuổi thọ của

một thiết bị là một hàm mũ phụ thuộc vào nhiệt độ hoạt động Khi giảm nhiệt độ

hoạt động của thiết bị xuống khoảng từ 10-15℃ có thể giúp tuổi thọ của thiết bị

tăng lên 2 lần Do đó, vấn đề giảm nhiệt độ hoạt động cho các thiết bị là một vấn đề

cấp thiết Tuy nhiên, để tạo ra được một hệ thống làm mát có khả năng quản lý nhiệt

hiệu quả mà không làm ảnh hưởng đến hiệu suất làm việc của thiết bị, hệ thống lại

là một thách thức lớn

Nhiệt lượng được tạo ra trong quá trình hoạt động của thiết bị, hệ thống được

tản ra bên ngoài bằng bộ phận tản nhiệt như: quạt, bộ phận chuyển đổi nhiệt

Thông thường, thiết bị được tiếp xúc trực tiếp với bộ phận tản nhiệt Tuy nhiên, các

bề mặt thiết bị và bộ phận tản nhiệt thường không bằng phẳng Khi quan sát dưới

cấp độ vi mô ta sẽ thấy đó là một bề mặt gồ ghề, mấp mô Điều này dẫn đến hơn

99% bề mặt tiếp giáp bị tách ra bởi các kẽ hở không khí, diện tích truyền nhiệt thực

tế là rất nhỏ so với diện tích mà ta quan sát được Trong khi đó, không khí có độ

dẫn nhiệt rất thấp (kair = 0,026 W/mK) [1], làm cản trở nhiệt truyền từ thiết bị qua

bộ phận tản nhiệt Khi đó, hiệu suất tản nhiệt sẽ bị giới hạn dẫn đến tản nhiệt không

hiệu quả

Hình 1.1 Bề mặt gồ ghề giữa bộ phận tản nhiệt và thiết bị khi được thêm vào chất

truyền dẫn nhiệt trung gian.[1]

Giải pháp đề ra là sử dụng một vật liệu có độ dẫn nhiệt cao, có khả năng đàn

hồi tốt để làm tăng diện tích tiếp xúc, giảm nhiệt trở tiếp xúc giữa hai bề mặt, cung

cấp một con đường tuyền nhiệt hiệu quả (như trên hình 1.1) Vật liệu được sử dụng

ở đây là TIMs

TIMs điển hình thường được chế tạo từ một nền polyme hoặc silicon và được

gia cường với chất có độ dẫn nhiệt cao nhưng cách điện như AlN, BN, Al2O3 hoặc

SiC TIMs lý tưởng không chỉ có độ dẫn nhiệt riêng cao mà còn phải có hệ số dãn

nở nhiệt thấp Bên cạnh đó vật liệu phải dễ dàng biến dạng bởi lực nén nhỏ để có

khả năng tiếp xúc với tất cả diện tích không bằng phẳng của những bề mặt tiếp xúc

không tốt Ngoài ra khả năng tái sử dụng của TIMs cũng là một vấn đề đáng được

quan tâm

Hầu hết tất cả các công việc thuộc lĩnh vực TIMs trước năm 2000 chủ yếu là

thực nghiệm [2,3] Thực tế là không có điểm nhấn cho bất cứ mô hình vật lý nào

cho đặc tính nhiệt của các TIMs Một vài nghiên cứu rất sớm trên mỡ dẫn nhiệt

được thực hiện cho các ứng dụng tàu không gian [2,4] Phần lớn công việc thực

nghiệm do nhà nghiên cứu Fletcher và các công sự [5] thực hiện từ 1990-2000, đã

công bố bài báo tổng quan các loại TIMs khác nhau bao gồm tấm kim loại và dạng

Nhà nghiên cứu Mirmiraet [6] đã đưa ra các loại chất kết dính khác nhau và

dữ liệu liên quan theo kiểu kinh nghiệm Ông cũng công bố sự định lượng thực

nghiệm cho TIMs đàn hồi Nhà nghiên cứu Marotta và Fletcher [7] thực hiện các

thực nghiệm với các loại vật liệu polyme khác nhau và so sánh kết quả với mô hình

biến dạng đàn hồi Nhà nghiên cứu Marotta và Han [8] đã đưa ra dữ liệu thực

nghiệm cho các loại TIMs dựa trên nền vật liệu polyme Nhà nghiên cứu Xuet [9]

đã chế tạo rất nhiều loại TIMs trên nền Na2SiO3 được bổ sung thêm hạt BN

1.1.2 Cấu tạo và các thông số ảnh hưởng đến TIMs

Như chúng ta biết, khi hai bề mặt rắn tiếp xúc với nhau thì độ gồ ghề của

từng bề mặt sẽ làm hạn chế sự tiếp xúc của hai bề mặt làm cho diện tích tiếp xúc

thực tế giữa hai bề mặt rắn là một tỉ lệ rất nhỏ chỉ nằm trong khoảng 1-2% diện tích

vùng nhìn thấy được Một mô hình thiết bị sử dụng tấm dán truyền dẫn nhiệt trung

gian giữa hai cấu trúc được minh họa ở hình 1.2

Hình 1.2 Giản đồ các thành phần nhiệt trở khác nhau của TIMs [10]

Như vậy, TIMs hoạt động nhằm mục đích kết nối các phần khác nhau của hệ

tản nhiệt, giúp làm tăng diện tích tiếp xúc thực tế giữa thiết bị cần tản nhiệt và bộ

phận tản nhiệt, đồng thời góp phần hỗ trợ quá trình tản nhiệt Sau khi đưa TIMs vào

giữa các bề mặt rắn, thì nhiệt trở (RTIM) của hệ bây giờ bao gồm hai thành phần là

nhiệt trở khối (Rbulk) của TIMs và nhiệt trở tiếp xúc (RC) giữa bề mặt tiếp xúc của

lớp TIMs với hai bề mặt chất rắn tiếp giáp

Nhiệt trở của TIMs (RTIM) có thể được biểu diễn như sau:

𝑅𝑇𝐼𝑀 = 𝐵𝐿𝑇

𝑘𝑇𝐼𝑀+ 𝑅𝐶1+ 𝑅𝐶2Trong đó: BLT là độ dày của liên kết hay bề dày lớp TIMs,

kTIM là độ dẫn nhiệt của TIMs,

𝑅𝐶1 và 𝑅𝐶2là nhiệt trở tiếp xúc của TIMs với hai bề mặt tiếp giáp

Dựa vào công thức (1.1) ở trên, để tăng khả năng dẫn nhiệt thì chúng ta sẽ

phải giảm nhiệt trở của TIMs Điều này có nghĩa là chúng ta sẽ làm tăng độ dẫn

nhiệt của TIMs, giảm độ dày liên kết và giảm nhiệt trở tiếp xúc 𝑅𝐶1 và 𝑅𝐶2

1.1.2.1 Độ dẫn nhiệt

Độ dẫn nhiệt của TIMs tăng lên bằng cách sử dụng nền là một vật liệu mềm

ví dụ như vật liệu polyme trộn với các hạt rắn có độ dẫn nhiệt cao như hạt Al, Al2O3

hoặc BN

Nếu thiết kế yêu cầu TIMs dẫn nhiệt nhưng cách điện thì các hạt gốm thường

được sử dụng làm hạt dẫn nhiệt Hình 1.3 cho thấy sự thay đổi độ dẫn nhiệt tấm dán

nhiệt trên nền silicon là hàm số phụ thuộc vào nồng độ hạt dẫn nhiệt được cho vào

Khi nồng độ hạt dẫn nhiệt tăng sẽ làm tăng độ dẫn nhiệt của TIMs

Hình 1.3 Hình biểu diễn độ dẫn nhiệt của tấm dán nhiệt với các hạt dẫn nhiệt

Al 2 O 3 và ZnO theo phần trăm thể tích hạt [1].

(1.1)

Độ dẫn nhiệt kTIM của TIMs có thể được biểu diễn như sau:

𝑘𝑇𝐼𝑀 = 𝑓(𝑘𝑓, 𝑘𝑚, , 𝑅𝑏) Với: kf là độ dẫn nhiệt của hạt cho vào,

km là độ dẫn nhiệt của polyme,

Ф là phần trăm thể tích hạt cho vào,

Rb là nhiệt trở tiếp xúc giữa hạt dẫn nhiệt và polyme

Như vậy, nhìn vào công thức (1.2) ta có có biết rằng độ dẫn nhiệt của TIMs

là một hàm phụ thuộc vào độ dẫn nhiệt của vật liệu ban đầu bao gồm chất nền và

hạt dẫn nhiệt, phần trăm thể tích hạt cho vào và nhiệt trở tiếp xúc giữa hạt dẫn nhiệt

và chất nền Đây là mô hình Maxell phù hợp cho các hạt dẫn nhiệt hình cầu, tuy

nhiên nó chỉ phù hợp cho trường hợp phần trăm thể tích hạt nằm trong khoảng 30-

35% và không được sử dụng để dự đoán cho các trường hợp có phần trăm thể tích

cao hơn do sự hạn chế trong quá trình giả định cho mô hình này Nhà nghiên cứu

Prasher đã thay đổi mô hình Bruggeman để có thể dự đoán khả năng dẫn nhiệt cho

phần thể tích hạt dẫn nhiệt từ thấp đến cao bằng cách thêm vào ảnh hưởng của nhiệt

trở tiếp xúc giữa hạt cho vào và chất nền polyme lên độ dẫn nhiệt của composite

Mô hình Bruggeman đã chỉnh sửa (với giả thuyết 𝑘𝑓/𝑘𝑚>>1 ) sẽ là:

Như vậy theo nhà nghiên cứu Prasher độ dẫn nhiệt của hạt dẫn nhiệt là rất

lớn so với độ dẫn nhiệt của chất nền polyme Và theo ông ngoài các yếu tố như: độ

dẫn nhiệt của vật liệu ban đầu bao gồm chất nền và hạt dẫn nhiệt, phần trăm thể tích

hạt cho vào và nhiệt trở tiếp xúc giữa hạt dẫn nhiệt và chất nền thì độ dẫn nhiệt còn

phụ thuộc vào kích thước hạt dẫn nhiệt

(1.2)

(1.3)

(1.4)

Ngoài ra từ công thức tính nhiệt trở (1.1): 𝑅𝑇𝐼𝑀 = 𝐵𝐿𝑇

𝑘 𝑇𝐼𝑀+ 𝑅𝐶1+ 𝑅𝐶2 ta có thể tính toán được độ dẫn nhiệt của tấm dán truyền dẫn nhiệt trung gian thông qua việc

ngoại suy từ phép đo nhiệt trở của tấm dán truyền dẫn nhiệt trung gian theo các bề

dày khác nhau Hệ số góc của đường thẳng đi qua các điểm nhiệt trở tương ứng với

mỗi bề dày khác nhau chính là nghịch đảo của độ dẫn nhiệt

Hình 1.4 Phương trình đường thẳng ngoại suy độ dẫn nhiệt [11]

1.1.2.2 Độ dày của lớp TIMs

Giảm độ dày của lớp TIMs hay nói cách khác độ dày liên kết (gọi tắt là

BLT) cũng là một mục tiêu cần đạt được trong việc xây dựng các giải pháp tản

nhiệt Độ dày liên kết là một hàm phụ thuộc vào nhiều tham số ví dụ như áp lực ép

(là áp lực tác dụng để kết dính lớp vật liệu TIMs vào hai bề mặt rắn) và phần trăm

thể tích hạt cho vào Nhà nghiên cứu Prasher đã đưa ra mô hình thực nghiệm về độ

dày liên kết cho vật liệu tản nhiệt dạng polyme trộn với các hạt dẫn nhiệt Ông đã đề

Công thức này chỉ có giá trị trong khoảng áp lực từ 25-200 psi Công thức

(1.5) thể hiện mối tương quan giữa độ dày liên kết với tỷ lệ ứng suất đàn hồi theo áp

lực đã cho kết quả là khi ứng suất đàn hồi của tấm dán truyền dẫn nhiệt trung gian

tăng đồng nghĩa với việc cần phải áp một lực lớn để làm giảm bề dày liên kết Như

vậy tại một áp lực cố định TIMs có ứng suất đàn hồi lớn hơn sẽ có thể tích vùng cần

lấp đầy lớn hơn khi đó bề dày liên kết sẽ lớn

ATổng thể là diện tích vùng truyền nhiệt tổng thể mà mắt thường nhìn thấy,

AThực tế là diện tích vùng truyền nhiệt thực sự

Vùng truyền nhiệt thực sự thì nhỏ hơn rất nhiều so với vùng truyền nhiệt

tổng thể bởi vì khí sẽ bị giữ lại ở các khe hở của bề mặt gồ ghề Theo nhà nghiên

cứu Prasher, vùng diện tích truyền nhiệt thực sự được tính toán dựa vào 1) lực ép;

2) lực mao dẫn do sức căng bề mặt của TIMs và 3) áp lực phản hồi của khí bị giữ

lại Đồng thời, ông cũng so sánh mô hình TIMs loại chuyển pha và loại mỡ Từ đó

đề xuất một vài giải pháp để giảm nhiệt trở tiếp xúc xuống thấp nhất có thể như 1)

tăng áp lực; 2) giảm độ gồ ghề bề mặt; 3) tăng độ dẫn nhiệt của TIMs và 4) tăng lực

mao dẫn bằng cách thay đổi bề mặt hóa học

1.1.2.4 Khả năng tái sử dụng

Một yêu cầu nữa của TIMs chính là khả năng tái sử dụng Trong hầu hết các

ứng dụng, thì thiết bị tản nhiệt được thiết kế tách rời so với linh kiện hay thiết bị cần

được tản nhiệt Do đó khả năng tái sử dụng là một yêu cầu cần thiết để tránh làm

giảm hiệu suất của TIMs Trong quá trình sử dụng thiết bị có thể dễ dàng thực hiện

(1.6)

9(

các thao tác tháo gỡ TIMs để vệ sinh thiết bị và có thể gắn lại để tái sử dụng mà

không làm ảnh hưởng đến hiệu suất truyền nhiệt

1.1.3 Phân loại TIMs

TIMs được phân thành các loại khác nhau như : TIMs dạng mỡ, TIMs dạng

tấm, vật liệu chuyển pha, chất hàn…

1.1.3.1 TIMs dạng mỡ hay mỡ nhiệt

Mỡ nhiệt thường được tạo ra từ hai thành phần cơ bản đó là sử dụng polyme

làm chất nền và các hạt gốm hoặc hạt kim loại được sử dụng làm hạt dẫn nhiệt

Trong các loại polyme thì silicon được sử dụng phổ biến do có các ưu điểm như độ

ổn định nhiệt tốt, tính thấm ướt và mô đun đàn hồi thấp Hạt dẫn nhiệt thường dùng

như AlN,BN, Al2O3, ZnO, hay hạt dẫn nhiệt kim loại Ag, Al

Vật liệu nền và các hạt dẫn nhiệt sẽ được pha trộn với nhau để tạo nên dạng

keo có thể sử dụng cho các bề mặt tiếp xúc Khi ghép hai bề mặt tiếp giáp lại với

nhau, lực ép sẽ giúp cho mỡ nhiệt lấp đầy vào các lỗ trống trên các bề mặt ghồ ghề

và đuổi không khí ra khỏi các lỗ trống trong bề mặt tiếp xúc

Nói chung TIMs dạng keo không cần quy trình xử lý sau khi phân tán và có

độ dẫn nhiệt cao hơn so với các dạng vật liệu khác Tuy nhiên vật liệu dạng keo bị

ảnh hưởng bởi tính thấm ướt và độ nhớt của polyme Kích thước hạt cũng là nhân tố

quan trọng trong hỗn hợp polyme, đóng vai trò như là một miếng đệm giữa hai bề

mặt và ảnh hưởng đến bề dày liên kết từ đó ảnh hưởng đến nhiệt trở

1.1.3.2 TIMs dạng tấm

Để khắc phục các hạn chế của TIMs dạng keo, TIMs dạng tấm đã ra đời Vật

liệu dạng tấm được tạo ra từ nền là chất đàn hồi trộn với các hạt gốm hoặc kim loại

có độ dẫn nhiệt cao qua quá trình lưu hóa để tạo tấm Tại nhiệt độ phòng, vật liệu ở

trạng thái rắn và dễ dàng thao tác, được sử dụng phổ biến nhất để làm mát cho các

thiết bị năng lượng thấp như chip hay bộ vi xử lí di động TIMs dạng tấm có độ dày

đặc trưng từ 200-1000 µm, có khả năng chịu nén đến 25% bề dày, do đó cho phép

hấp thu các biến dạng trong thao tác

1.1.3.3 Vật liệu chuyển pha

Vật liệu chuyển pha do có khả năng lưu trữ cao và phóng giải lượng nhiệt

lớn nên khá được chú ý trong những năm gần đây Vật liệu chuyển pha được phân

chia theo thành phần vô cơ và hữu cơ

Hầu hết các vật liệu chuyển pha có mật độ lưu trữ năng lượng cao nhưng khả

năng dẫn nhiệt lại tương đối thấp Vì vậy hiệu suất tản nhiệt của vật liệu chuyển pha

có thể cải thiện bằng cách trộn vật liệu chuyển pha với các hạt có độ dẫn nhiệt cao

Tuy nhiên, tất cả các vật liệu chuyển pha hợp kim được phát triển dựa trên hợp kim

có độ nóng chảy thấp và hợp kim ghi nhớ hình dạng Một cách tổng quát, có thể nói

rằng vật liệu chuyển pha được chọn có điểm nóng chảy thấp hơn nhiệt độ hoạt động

cao nhất của linh kiện điện tử

1.1.3.4 Chất hàn

Chất hàn là một hợp kim sử dụng để gắn kết các bề mặt kim loại với nhau và

có điểm nóng chảy nhỏ hơn kim loại được gắn

Chất hàn mềm có giới hạn nóng chảy từ 90 – 450℃, thường được sử dụng

trong lĩnh vực điện tử và lắp ráp các bộ phận tấm kim loại với nhau Hàn tay thường

sử dụng súng hàn để hàn Hợp kim nóng chảy tại nhiệt độ 180 – 190℃ hay được sử

dụng Nếu sử dụng chất hàn với nhiệt độ nóng chảy trên 450℃ thì được gọi là hàn

cứng

Trong lĩnh vực điện và điện tử, dây hàn thường được sử dụng có độ dày khác

nhau Cũng có sẵn dạng keo hoặc dạng lá mỏng phù hợp với vật cần hàn Tuy

nhiên, những dạng này chỉ thuận tiện cho quá trình hàn tay Những chất hàn không

chứa chì thường được sử dụng để tránh làm ô nhiễm môi trường Với sự thu nhỏ

kích thước các chi tiết bo mạch điện tử dẫn đến kích thước chất hàn cũng thu nhỏ

xuống

Bảng 1.1 Tóm tắt các đặc tính của các loại TIMs [10]

Loại vật liệu Ưu điểm Nhược điểm

Keo (grease) Độ dẫn nhiệt khối cao

Tương thích tốt với các

bề mặt gồ ghề

Không cần lưu hóa

Có khả năng tái sử dụng

Chảy nhớt và khả năng phân tách pha

Tấm (pads) Độ dẫn nhiệt khối cao

Tương thích bề mặt gồ ghề

Không chảy

Tái sử dụng

Yêu cầu lưu hóa

Độ dẫn nhiệt thấp hơn dạng keo

Vật liệu chuyển pha (phase

Độ dày lớp tiếp xúc thường không đồng đều

Chất hàn (solder) Độ dẫn nhiệt cao

Cấu trúc phân tử của loại cao su silicon được mô tả như hình 1.5

Hình 1.5 Cấu trúc phân tử của cao su silicon

Trục chính của cao su silicon được tạo thành từ liên kết siloxane -Si-O-Si- có

độ ổn định cao Liên kết Si-O (433 kJ/mol) bền hơn liên kết C-C (355 kJ/mol) làm

cho cao su silicon có tính kháng nhiệt độ cao tốt hơn các loại cao su hữu cơ truyền

thống Bên cạnh đó, mạch chính cao su silicon không có các liên kết đôi chưa bão

hòa làm cao su silicon trơ, kháng tốt với các yếu tố môi trường như oxy, ozon, ánh

sáng mặt trời, và cách điện tốt

Hình 1.6 So sánh tính chất của các loại cao su khác nhau so với cao su thiên

nhiên[13]

Ngoài ra, các phân tử silicon có lực xoắn và lực liên kết phân tử thấp làm cho

cao su silicon có độ đàn hồi cao, khả năng chịu nén cao Hơn nữa, các nhóm methyl

nằm ở bên ngoài cấu trúc cao su silicon có thể xoay tự do điều này giúp cao su

silicon có đặc tính bề mặt đặc biệt như chống thấm nước

Cao su silicon có tính cách điện cao 1TΩ.m -100TΩ.m và ổn định trong

khoảng nhiệt độ rộng Hầu như không có sự suy giảm khả năng cách điện ngay cả

khi được ngâm trong nước, điều này làm cho cao su silicon trở thành loại vật liệu

cách điện lý tưởng Cao su silicon có khả năng chịu được sự phóng điện cực mạnh

và ở điện áp cao nên được sử dụng rộng rãi như một chất cách điện trong các ứng

Hình 1.7 Thế đánh thủng điện môi của silicon theo độ dày[13]

Độ dẫn nhiệt của cao su silicon khoảng 0,2 W/m.K, đây là một giá trị cao

hơn so với một số cao su hữu cơ khác Một số cao su silicon được trộn thêm tỉ lệ

cao các chất vô cơ có độ dẫn nhiệt cao để cải thiện độ dẫn nhiệt lên được khoảng

1,3 W/m.K

Hình 1.8 Độ dẫn nhiệt của cao su silicon so với một số loại vật liệu khác[13]

1.2.1.2 Dầu silicon

Dầu silicon ((-Si(CH3)2O-)n ) là các polyme bao gồm bất kỳ hợp chất tổng

hợp, trơ, được tạo thành từ các đơn vị lặp lại của siloxan, gồm một nhóm chức của

hai nguyên tử silic và một nguyên tử oxy kết hợp với cacbon hoặc hydro Cấu trúc

phân tử của dầu silicon được mô tả như hình 1.9

Hình 1.9 Cấu trúc phân tử của dầu silicon

Dầu silicon quan trọng nhất là dầu methylsilicone (polydimethyl-siloxanes,

PDMS) Dầu silicon có trục chính được cấu tạo từ các liên kết siloxan (-Si-O-Si)

Chiều dài trung bình của chuỗi polyme chủ yếu phụ thuộc vào độ nhớt Các cấu tử

dễ bay hơi có khối lượng phân tử thấp được loại bỏ trong quá trình sản xuất, làm

tăng điểm tự bốc cháy của sản phẩm cuối cùng Chất lỏng có độ nhớt nằm trong

khoảng từ 1 đến 106 mPa.s sẵn có trên thị trường

Các tính chất vật lý quan trọng nhất của polydimethylsiloxanes được liệt kê

trong Bảng 1.2, cho thấy rằng các tính chất vật lý của chất lỏng silicon phụ thuộc

vào khối lượng phân tử chỉ đến một mức độ trùng hợp nhất định Với sự gia tăng

khối lượng phân tử, chúng đạt đến một giá trị giới hạn

Bảng 1.2 Tính chất của polydimethylsiloxanes theo khối lượng phân tử[14]

Tính chất Khối lượng phân tử trung bình

600 1800 5800 26 000 62 000 160 000

Độ nhớt (25℃ ), mPa.s 3 10 100 1000 12 500 500 000

Hệ số độ nhớt – nhiệt độ 0,55 0,57 0,60 0,61 0,61 0,61

Khối lượng riêng (25℃), g/cm 3 0,90 0,94 0,97 0,97 0,97 0,97

Điểm bắt cháy (DIN 51 376), ℃ 62 170 300 320 >320 >320

Điện trở (25℃), Ω.cm 2E14 2E14 2E14 2E14 2E14 2E14

Hệ số tiêu tán tanδ (25℃, 50Hz) 5E-5 5E-5 5E-5 5E-5 5E-5 5E-5

Các tính chất nổi bật bao gồm: tính ổn định ở nhiệt độ cao, chịu được điều

kiện nhiệt độ khắc nghiệt, tốc độ bay hơi thấp, khả năng chống tạo bọt tốt, độ bền

oxi hóa tốt, độ bền cơ học cao Dầu silicon được sử dụng làm chất điện môi và là

dầu làm mát cho các máy biến thế điện, chất lỏng truyền nhiệt, tuần hoàn và lưu

thông, sử dụng cho các hệ thống bể dung dịch

1.2.1.3 Nhôm ôxit Al 2 O 3

Nhôm ôxit là một hợp chất hóa học của nhôm và ôxy với công thức hóa học

Al2O3 Ở trạng thái tinh khiết, nhôm ôxit là chất rắn dạng bột màu trắng, không tan

trong nước, rất bền, nóng chảy ở 20500C

Hình 1.10 Cấu trúc phân tử và tinh thể nhôm oxit Al 2 O 3

Nhôm ôxit là thành phần chính của bôxit, loại quặng chủ yếu chứa nhôm

Quặng bôxit là Al2O3 không tinh khiết có chứa các ôxít sắt (III) (Fe2O3) và ôxit silic

(SiO2) Trong công nghiệp, bôxit được tinh luyện thành ôxit nhôm thông qua công

nghệ Bayer:

Al2O3 + 3 H2O + 2 NaOH (nhiệt) > 2NaAl(OH)4 (1.7)

Ôxit sắt (III) Fe2O3 không hòa tan trong dung dịch kiềm Ôxit silic SiO2 bị

hòa tan thành silicat Si(OH)6 −6 Trong quá trình lọc, Fe2O3 bị loại bỏ Bổ sung thêm

axit thì hiđrôxit nhôm (Al(OH)3) kết tủa còn silicat vẫn còn trong dung dịch Sau

đó,

Al(OH)3 (nhiệt) > Al2O3 + 3 H2O (1.8)

Độ dẫn nhiệt của nhôm oxit phụ thuộc tuyến tính vào độ tinh khiết, bột nhôm

ôxit có độ tinh khiết càng cao hay càng ít tạp chất sẽ có độ dẫn nhiệt càng cao Ví

dụ nhôm oxit 94%; 96% và 99,5% có độ dẫn nhiệt tương ứng là 18; 23; 31 W/mK

Bảng 1.3 Một vài thông số đặc trưng về tính chất vật lí và hóa học của nhôm oxit

Mô đun đàn hồi 375 (54,4) GPa (lb / in 2 x10 6 )

Mô đun trượt 152 (22) GPa (lb / in 2 x10 6 )

Mô đun đàn hồi khối 228 (33) GPa (lb / in 2 x10 6 )

Điện trở suất khối > 1014 - Ohm • cm

1.2.2 Cơ chế truyền nhiệt trong tấm dán

Các hạt dẫn nhiệt phân tán hỗn độn trong chất nền, để dẫn nhiệt tốt các hạt

dẫn nhiệt phải có sự tiếp xúc với nhau để tạo thành một con đường truyền nhiệt liên

tục Khi đó, các hạt tiếp xúc với nhau càng nhiều thì càng có nhiều con đường

truyền nhiệt, độ dẫn nhiệt càng lớn

Tuy nhiên, sự truyền nhiệt giữa các hạt dẫn nhiệt cũng tồn tại nhiệt trở tiếp

xúc do đó càng nhiều hạt sẽ càng làm tăng nhiệt trở tiếp xúc Đối với các ứng dụng

yêu cầu tấm dán có một bề dày lớn, hạt có kích thước càng nhỏ sẽ cần nhiều hạt xếp

chồng lên nhau để hình thành con đường truyền nhiệt liên tục, xác suất để hình

thành con đường truyền nhiệt liên tục bên trong tấm dán rất thấp điều này sẽ làm

tăng nhiệt trở tiếp xúc bên trong tấm dán Ngược lại, đối với hạt có kích thước lớn,

ta chỉ cần số lượng hạt nhỏ, xác suất hình thành đường truyền nhiệt liên tục lớn hơn,

như vậy nhiệt trở tiếp xúc sẽ giảm Bên cạnh đó, kích thước hạt cũng quyết định

đến khả năng lấp đầy các vị trí mấp mô trên bề mặt của thết bị cũng như bộ phận

tản nhiệt Mỗi độ mấp mô bề mặt sẽ tương thích với một kích thước hạt khác nhau

Kích thước hạt phù hợp sẽ góp phần làm tăng diện tích vùng truyền nhiệt thực tế và

giảm nhiệt trở tiếp xúc giữa tấm dán truyền dẫn nhiệt trung gian và hai bề mặt kim

loại

Hình 1.11 Mô hình hạt dẫn nhiệt phân tán trong chất nền polyme tương ứng với

a) hạt dẫn nhiệt kích thước nhỏ; b) hạt dẫn nhiệt kích thước lớn;

c) sự pha trộn của hai kích thước hạt khác nhau

Tuy nhiên, khi sử dụng hạt dẫn nhiệt kích thước lớn có khả năng sẽ gặp các

vấn đề như sau:

- Kích thước hạt lớn gây khó khăn trong quá trình trộn lẫn với silicon, hạt

dẫn nhiệt phân tán không đều làm tăng nhiệt trở

- Các hạt lớn tiếp xúc với nhau gây nên lỗ trống lớn, silicon có độ dẫn nhiệt

cao hơn không khí nhưng vẫn còn thấp nên chỉ cải thiện được phần nhỏ Có thể

khắc phục điều này bằng cách phối trộn tỉ lệ giữa hai loại hạt có kích thước khác

nhau nhằm gia tăng khả năng truyền nhiệt