"Синтез и физико-химические характеристики композиционных материалов для термоинтерфейсов электронной техники"

Дипломная работа «Синтез и физико-химические характеристики композиционных материалов для термоинтерфейсов электронной техники». В современном мире, в связи с активным развитием микроэлектроники, до 60% отказов процессоров обусловлено наличием горячих точек,то есть мест локальных перегревов которые возникают в связи с недостаточным отведением тепла от процессора, поэтому перед исследователями стоит задача создания новых более эффективных теплоотводящих материалов – они должны обладать высоким коэффициентом теплопроводности, заполнять неровности на поверхности охлаждаемого элемента, благодаря упругости или низкой вязкости материала. Заявленным критериям в полной мере соответствуют термопасты, термопрокладки, термоклеи, а также радиаторы на основе полимерных композиционных материалов, создание которых являлось задачей данной работы. Существует несколько направлений, в которых требуются эффективные термоинтерфейсные материалы. Среди них можно выделить: светодиодное освещение, фотоэлементы, лазеры, автомобильную, аэрокосмическую, медицинскую и мобильную электронику. Более 80% всех термоинтерфейсов на рынке, на сегодняшний день получают на основе полимеров, поэтому данная работа является актуальной. Для чего же используется термоинтерфейс? Поскольку воздух является хорошим теплоизолятором, то его наличие препятствует передаче тепла от одной поверхности к другой. Термоинтерфейсный материал, в нашем случае радиатор, заменяет большую часть воздуха более теплопроводящим материалом. Благодаря использованию термоинтерфейса выравнивается температура на поверхности процессора. В работе была поставлена следующая задача: найти материал, который должен иметь сравнительно невысокую плотность по сравнению, например, с металлами, для того, чтобы уменьшить массу радиатора, она является одним из ключевых факторов, когда идет речь о микроэлектронике. Материал должен быть электроизолятором, чтобы предотвратить вероятность возникновения электрических замыканий в процессоре, также он должен обладать широким диапазоном рабочих температур, так как процессор нагревается вплоть до 150 градусов по Цельсию. Высокий коэффициент теплопроводности позволяет увеличить количество тепла, отводящегося от процессора в окружающую среду. После формулировки задачи следует этап выбора компонентов, соответствующих заявленным требованиям. Выбор наполнителя был сделан в сторону нитрида бора, так как он обладает высокой теплопроводностью, имеет более низкую плотность, по сравнению с металлами, а также имеет низкую диэлектрическую проницаемость. Средний диаметр частиц нитрида бора был определен с помощью метода лазерной дифракции и составил 6 микрометров. В качестве матрицы была выбрана фенолформальдегидная смола, так как она растворима в спирте, имеет хорошую адгезионную способностью к металлам и керамике, обладает механической прочностью, химической и термической устойчивостью. Немаловажным фактором является то, что оба данных соединения являются сравнительно дешевыми, также они являются продуктами, производимыми отечественными компаниями. Матрица представляет собой полимер, который является однокомпонентным реактопластом, имеет трехмерную разветвленную структуру, выполняет роль каркаса, в котором находятся проводящие структуры из частиц нитрида бора. Наполнитель нитрид бора имеет слоистую структуру, частицы имеют гексагональную форму. В данной работе было предложено использовать технологическую схему, предусматривающую растворение фенолформальдегидной смолы в пропиловом спирте для улучшения взаимодействия с наполнителем, что дало возможность создания полимерных композиционных материалов с высоким объемным содержанием наполнителя (до 85%). После растворения осуществлялась отгонка растворителя, затем измельчение полученной смеси, финальным этапом выполнялось горячее прессование. В завершении определялись эффективная теплопроводность, плотность и габаритные размеры образцов. Измерение эффективного коэффициента теплопроводности в работе проводилось относительным методом стационарного теплового потока с помощью методики, разработанной в АО "НИИграфит". В процессе анализа значений эффективного коэффициента теплопроводности, которые были получены в процессе выполнения данной работы, был рассмотрен ряд теоретических моделей, которые рассматривают изменение коэффициента теплопроводности в композите в зависимости от объемного содержания наполнителя, в нашем случае это нитрид бора. Данные по расчету теоретических моделей показывают, что классические модели, которые работают для композитов с низким содержанием наполнителя, плохо описывают экспериментальные зависимости, так как они не учитывают вклад проводящих структур, которые резко увеличивают коэффициент теплопроводности композита, возникают они при экстремально высоких значениях объемного содержания наполнителя ( от 65% ). Максимальный достигнутый коэффициент теплопроводности составил 20 Вт/м*К, что значительно превышает значения, полученные в аналогичных исследованиях.