Теплопровідна паста

Реферат: Теплопровідна паста, яка містить полімер поліметилсилоксан, порошки аеросил і ZnO. Як порошок ZnO використовують наночастинки ZnO. UA 102258 U (54) ТЕПЛОПРОВІДНА ПАСТА UA 102258 U UA 102258 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Корисна модель належить до галузі матеріалознавства і може бути використана для відводу тепла від теплоутворюючих робочих елементів електронних пристроїв, зокрема процесорів, чіпсетів, відеоприскорювачів комп'ютерів. Відома теплопровідна паста "Arctic Silver 5" [Arctic Silver Inc., електронний ресурс http://www.arcticsilver.com/as5.htm. - обновлено 2013.], яка складається із частинок срібла, нітриду бору, оксиду цинку, оксиду алюмінію та поліолу. Коефіцієнт теплопровідності пасти "Arctic Silver 5" рівний 8,7 Вт/(м·К). Недоліки: висока вартість. Відома теплопровідна паста "Startech HeatGrease" [StarTech.com., електронний ресурс http://www.startech.com/Computer-Parts/Fans/Thermal-Conductive-Grease-forHeatsink~HEATGREASE. - обновлено 2015.], яка складається зі силікону та наповнювачівзагущувачів графіту та оксиду металу. Коефіцієнт теплопровідності пасти "Startech HeatGrease" у діапазоні робочих температур приблизно рівний 1 Вт/(м·К). Недоліки: висока вартість та низька теплопровідність. Відома теплопровідна паста АлСил-3 [Петухов К. Паста несущая прохладу / К. Петухов // Чип. - 2003. - Вып. 8. - С. 42-49], яка складається зі силікону та наповнювача - загущувача нітриду алюмінію. Коефіцієнт теплопровідності пасти АлСил-3 у діапазоні робочих температур знаходиться у межах від 1,8 Вт/(м·К) до 2,0 Вт/(м·К). Найближчим за технічним рішенням до пропонованої корисної моделі прототипом є кремнійорганічна теплопровідна паста КПТ-8 [ГОСТ 19783-74. Паста кремнийорганическая теплопроводная. Технические условия. - Введ. 1975-01-01. - М.: Изд.-во стандартов, 1996. - III, 11 с.], яка складається з поліметилсилоксану - силіконового масла, з коефіцієнтом теплопровідності α=0,167 Вт/(м·К) при кімнатній температурі [Варгафтик Н.Б. Справочник по теплофизическим свойствам газов и жидкостей / Н.Б. Варгафтик. - М: Наука, 1972. - 721 с.]) і -3 наповнювачів - загущувачів - аеросилу SiO2, з коефіцієнтом теплопровідності α3·10 Вт/(м·К) при Т=27 °C марки А-380 та цинкових білил ZnO марок БЦ0 і БЦ1; коефіцієнт теплопровідності монокристала оксиду цинку α  29,5 Вт/(м·К) при Т=300 К [Теплофизические свойства компонентов горючих систем. Справочник / Ю.Е. Шелудяк, Л.Я. Кашпоров, Л.А. Малинин, В.Н. Цалков. - М: НПО "Информ ТЭИ", 1992. - 184 с.]). Частинки аеросилу розміром 5-15 нм, адсорбуються на поверхні частинок ZnO розміром 50-60 мкм і запобігають їхньому укрупненню за рахунок електростатичного відштовхування заряджених функціональних груп, а також за рахунок створення просторових перепон для агломерації. Коефіцієнт теплопровідності пасти КПТ-8 у діапазоні робочих температур від -50 °C до 100 °C знаходиться у межах від 1 Вт/(м·К) до 0,65 Вт/(м·К). Недоліки: низьке значення коефіцієнта теплопровідності. В основу корисної моделі поставлено задачу удосконалити теплопровідну пасту шляхом використання наночастинок ZnO, що дасть змогу підвищити її коефіцієнт теплопровідності. Поставлена задача вирішується тим, що у теплопровідній пасті, яка містить полімер поліметилсилоксан, порошки аеросил і ZnO, як порошок ZnO використовують наночастинки ZnO. Як відомо [Поплавко Ю.М. Електрофізика твердих тіл: навчальний посібник / Ю.М. Поплавко. - К.: Інтернет-видавництво Нац. тех. у-ту України "КПІ", 2012. - 771 с.], перенесення теплоти у напівпровідниках описується виразом: λ=λфон + λел + λбп + λфот + λекс, де λфон - фононна теплопровідність, спричинена перенесенням теплоти за рахунок теплових коливань атомів кристалічної решітки; λел - електронна/діркова теплопровідність, спричинена перенесенням теплоти вільними носіями заряду; λбп - біполярна теплопровідність за рахунок руху пар електрон-дірка в області власної провідності; λфот - фотонна теплопровідність за рахунок перенесення теплоти електромагнітним випромінюванням; λ екс - екситонна теплопровідність, спричинена рухом екситонів. Фононна теплопровідність описується виразом: λфон=C·ν·l/3=Cν·ρ·ν·l/3, де С - теплоємність, Cν - питома теплоємність при постійному об'ємі, ρ - густина матеріалу, ν - середня швидкість фононів, l - середня довжина вільного пробігу фонона. Температурна залежність фононної теплопровідності має максимум при температурі, близькій до 0,1θДeбая. Механізм електронної теплопровідності пов'язаний з електропровідністю σ законом Відемана-Франца: λел=L·σ·T, 1 UA 102258 U 5 10 15 20 25 30 35 де Т - температура, L - число Лоренца, яке для невироджених напівпровідників визначається із виразу: 2 L=(r+2)(k/е) , де r - параметр розсіювання, який є показником степеня у залежності довжини вільного пробігу від енергії; k - стала Больцмана; e - заряд електрона. Біполярна теплопровідність виникає за рахунок власної електропровідності напівпровідникових матеріалів. Число електронів і дірок на гарячому кінці напівпровідника більше, ніж на холодному, і це викликає дифузію електронно-діркових пар від гарячого кінця до холодного. При цьому на гарячому кінці поглинається енергія, необхідна для утворення такої пари, а на холодному - енергія виділяється під час рекомбінації цієї електронно-діркової пари. Ця енергія складається не тільки з кінетичної енергії електрона і дірки, але й енергії, необхідної для переходу електрона з валентної зони у зону провідності, що дорівнює ширині забороненої зони Eg. У більшості напівпровідників Eg>>kТ. Тому енергія, що переноситься парою електрондірка, набагато більша за енергію, яку переносять кожний із носіїв заряду у разі домішкової електропровідності. Під час власної електропровідності виникає додатковий потік теплоти і додаткова теплопровідність λбп, саме за рахунок біполярної дифузії. Очевидно, що біполярна теплопровідність буде залежати від концентрації електронно-діркових пар і ширини забороненої зони. Для біполярної теплопровідності запропонована формула, за своїм виглядом аналогічна формулі електронної теплопровідності: λбп=Lбп·σ·T, де Lбп - аналог числа Лоренца, але для біполярної теплопровідності. Фотонна теплопровідність актуальна у таких напівпровідниках, у яких коефіцієнт поглинання в області теплового випромінювання невеликий, а отже, фотони мають велику довжину вільного пробігу. Тому й необхідно враховувати внесок у перенесення тепла за рахунок електромагнітного випромінювання. Фотонну теплопровідність λфот можна оцінити з використанням формули Генцеля [Лугуева Н.В. Теплопроводность поликристаллического ZnS при всестороннем сжатии / Н.В. Лугуева, Н.Л. Крамінина, С.М. Лугуев // ФТТ. - 2001. - Т. 43, Вып. 2. - С. 222-225]: 2 3 λфот=16/3·n ·σ0·T /αП, де n - показник заломлення; σ0 - постійна Стефана-Больцмана; αП - коефіцієнт поглинання. Екситонна теплопровідність спричинена дифузією екситонів при створенні градієнта температур. Вона стає значущою, коли напівпровідник схильний до утворення екситонів. Енергія зв'язку екситона Eex у випадку, коли розміри частинок співмірні з борівським радіусом екситона описується виразом: Eex  40 45 50 55 R3D , ex N  1/ 2 де R3D - енергія зв'язку екситона в об'ємному зразку; N=1, 2, 3,… - квантове число. ex Отже, енергія зв'язку екситона на основному рівні при N=1 у випадку, коли розміри частинок співмірні з борівським радіусом екситона, у 4 рази перевищує енергію зв'язку екситона в об'ємному зразку. Існують такі особливості переносу теплоти в наноструктурах [Хвесюк В.И. Перенос теплоты в наноструктурах / В.И. Хвесюк // Инженерный журнал: наука и инновации. - 2013. - Вып. 5. - С. 1-9], як балістична теплопровідність та зменшення контактного теплового опору. У випадку, коли довжина вільного пробігу носіїв заряду чи квазічастинок є більшою за характерні розміри зразка, реалізується балістична теплопровідність, тобто перенос теплоти без зіткнень. Термічний опір зразків у цьому випадку дорівнює нулеві. Контактний тепловий опір чи опір Капіци - це термічний опір на межах контакту двох тіл. Перша теоретична робота, що заклала основи методів оцінки контактного теплового опору, була виконана І.М. Халатніковим. Суть моделі, запропонованої Халатніковим, полягає у наступному. Поверхня контакту-інтерфейс зображується як плоска нескінченно тонка межа між двома матеріалами. У відповідності до властивостей цих матеріалів відбувається заломлення або відбивання фононів на межі як з однієї, так і з другої сторони. Різниця потоків енергії фононів від матеріалу з більш високою температурою до матеріалу з меншою температурою і назад, дає зв'язок потоку і стрибка температури на інтерфейсі: q=ΔT/hK, де q - це тепловий потік через інтерфейс; ΔТ - різниця температур на інтерфейсі; hK - опір Капіци. 2 UA 102258 U 5 10 15 20 25 30 35 Незважаючи на широке використання цих ідей, модель Халатнікова сильно ідеалізована і дає велику похибку. Теорія не враховує шорсткості поверхні, можливості взаємної дифузії двох матеріалів, квантово-розмірні ефекти, виділення енергії безпосередньо на інтерфейсі при розсіюванні на ньому фононів і так далі. Тим не менше, записане вище співвідношення широко і успішно використовується. У цих умовах важливе значення мають експериментальні дослідження закономірностей зміни опору Капіци у залежності від типу матеріалу, температури, технології виготовлення контактів тощо. В останні роки сформувався напрям досліджень по забезпеченню мінімізації опору Капіци створення на межах між двома матеріалами високотеплопровідних шарів за допомогою спеціальних термічних інтерфейсних матеріалів. Використання як компонентів таких шарів наночастинок, забезпечуватиме гранично повний контакт між сусідніми шорсткими поверхнями. Цим досягатиметься максимальна площа контакту, у той час як при використанні мікрочастинок площа контакту буде невеликою внаслідок шорсткості поверхонь. Автори корисної моделі припускають, що підвищення величини коефіцієнта теплопровідності термопасти при використанні нанопорошку ZnO замість мікропорошку, зумовлене балістичною теплопровідністю, зростанням екситонної теплопровідності та зменшенням контактного теплового опору. Фіг. 1. Спектр поглинання наночастинок ZnO зі середнім розміром приблизно 3 нм. Фіг. 2. Графіки залежності робочої температури процесора комп'ютера при сталому навантаженні, з використанням для відводу теплоти мідного радіатора, від часу роботи комп'ютера: 1 - без шару термопасти між поверхнями процесора та радіатора, 2 - із шаром термопасти КПТ-8 між поверхнями процесора та радіатора, 3 - із шаром теплопровідної пасти з наночастинками ZnO із середнім розміром 30 нм та з аеросилом між поверхнями процесора та радіатора, 4 - із шаром теплопровідної пасти з наночастинками ZnO із середнім розміром 3 нм між поверхнями процесора та радіатора. Корисна модель пояснюється прикладами. Приклад 1. До 7 г нанопорошку ZnO з розміром частинок від 2 до 15 нм додають 3 г силіконового масла ПМС-1000 і диспергують до однорідності. Коефіцієнт теплопровідності одержаної пасти приблизно 1,5 Вт/(м·K). Приклад 2. 7 г нанопорошку ZnO з розміром частинок від 15 до 50 нм і 0,02 г аеросилу марки А-380 розтирають пестиком у тиглі до однорідної суміші, потім додають 3 г силіконового масла ПМС-1000 і диспергують до однорідності. Коефіцієнт теплопровідності одержаної пасти приблизно 2,5 Вт/(м·K). Визначення коефіцієнта теплопровідності здійснюють методом радіального теплового потоку [Галущак М.О. Методи вимірювання теплопровідності масивних твердих тіл і тонких плівок / М.О. Галущак, В.Г. Ральченко, А.І. Ткачук, Д.М. Фреїк // Фізика і хімія твердого тіла. 2013. - Т. 14, № 2. – С. 317-344]. Корисна модель забезпечує передбачуваний технічний результат - підвищення коефіцієнта теплопровідності пасти внаслідок використання наночастинок ZnO. 40 ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 45 Теплопровідна паста, яка містить полімер поліметилсилоксан, порошки аеросил і ZnO, яка відрізняється тим, що як порошок ZnO використовують наночастинки ZnO, а компоненти взяті у такому співвідношенні (мас. %): наночастинки ZnO 40-75 аеросил 0,1-3 поліметилсилоксан решта. 3 UA 102258 U Комп’ютерна верстка О. Гергіль Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 4