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

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN KHOA KHOA HỌC VẬT LIỆU BỘ MÔN VẬT LIỆU NANO & MÀNG MỎNG  -QUÁCH THỊ NGỌC ANH KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP Đề tài: TẤM DÁN TRUYỀN DẪN NHIỆT TRUNG GIAN DỰA TRÊN CAO SU SILICON KẾT HỢP Al2O3 NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS Đỗ Hữu Quyết -TP HỒ CHÍ MINH – 2017 Khóa luận tốt nghiệp Lời cảm ơn Trong thời gian làm đồ án tốt nghiệp, em nhận nhiều giúp đỡ, đóng góp ý kiến bảo nhiệt tình thầy cơ, gia đình bạn bè Em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến T.s Đỗ Hữu Quyết, nghiên cứu viênTrung tâm nghiên cứu triển khai tận tình hướng dẫn, bảo em suốt trình làm khố luận Bên cạnh đó, em khơng quên gửi lời cảm ơn đến anh chị nghiên cứu viên, bạn sinh viên làm đề tài phịng cơng nghệ nano Các anh chị bạn nguồn động viên tinh thần, đồng thời chia sẻ kinh nghiệm tạo điều kiện thuận lợi để em hồn thành khóa luận Em xin chân thành cảm ơn thầy cô giáo trường ĐH Khoa học tự nhiên TPHCM nói chung, thầy cô Bộ môn Vật liệu nano màng mỏng nói riêng dạy dỗ cho em kiến thức môn đại cương môn chuyên ngành, giúp em có sở lý thuyết vững vàng tạo điều kiện giúp đỡ em suốt trình học tập Cuối cùng, em xin chân thành cảm ơn gia đình bạn bè, ln tạo điều kiện, quan tâm, giúp đỡ, động viên em suốt q trình học tập hồn thành khố luận tốt nghiệp Quách Thị Ngọc Anh SVTH : Quách Thị Ngọc Anh ii Khóa luận tốt nghiệp 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 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN .2 1.1 Giới thiệu tổng quan vật liệu 1.1.1 Sơ lược vật liệu truyền dẫn nhiệt trung gian (Thermal interfaces materials- TIMs) 1.1.2 Cấu tạo thông số ảnh hưởng đến TIMs 1.1.3 Phân loại TIMs 1.2 Tấm dán tản nhiệt 11 1.2.1 Vật liệu .11 1.2.2 Cơ chế truyền nhiệt 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 kính hiển vi điện tử quét phân giải cao (FESEM) 21 1.3.3 Đo sụt giảm khối lượng theo nhiệt độ (TGA) 21 CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM 23 2.1 Hóa chất 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 dán theo tỉ lệ cao su silicon (SiK) silicon dầu (SiD) .25 2.2.2 Chế tạo dán với tỉ lệ cao su silicon (SiK) hạt Al2O3 26 2.2.3 Chế tạo dán dựa hỗn hợp silicon (Si) với Al2O3 26 2.2.4 Chế tạo dán với tỉ lệ hạt Al2O3 có kích thước khác 27 SVTH : Quách Thị Ngọc Anh iii Khóa luận tốt nghiệp 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 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 mẫu dán với thành phần cao su silicon pha trộn dầu silicon 33 3.4.2 Kiểm tra nhiệt trở mẫu dán với thành phần cao su silicon pha trộn Al2O3 34 3.4.3 Kiểm tra nhiệt trở mẫu dán với thành phần hỗn hợp silicon pha trộn Al2O3 35 3.4.4 Kiểm tra nhiệt trở mẫu dán với thành phần hỗn hợp Al2O3 với kích thước khác 36 3.5 Độ dẫn nhiệt 37 3.6 Thử nghiệm 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 SVTH : Quách Thị Ngọc Anh iv Khóa luận tốt nghiệp DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1 Tóm tắt đặc tính loại TIMs [10] 11 Bảng 1.2 Tính chất polydimethylsiloxanes theo khối lượng phân tử[14] 14 Bảng 1.3 Một vài thơng số đặc trưng tính chất vật lí hóa học nhơm oxit 99,5% .16 Bảng 2.1 Thống kê thí nghiệm chế tạo dán với thành phần silicon dầu cao 25 Bảng 2.2 Thống kê thí nghiệm chế tạo dán với thành phần Al2O3 cao .26 Bảng 2.3 Thống kê thí nghiệm chế tạo dán dựa hỗn hợp silicon với tỉ lệ thành phần Al2O3 khác 27 Bảng 2.4 Thống kê thí nghiệm chế tạo dán dựa hỗn hợp silicon với tỉ lệ thành phần A42/A12 khác .28 SVTH : Quách Thị Ngọc Anh v Khóa luận tốt nghiệp DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1 Bề mặt gồ ghề phận tản nhiệt thiết bị thêm vào chất truyền dẫn nhiệt trung gian.[1] Hình 1.2 Giản đồ thành phần nhiệt trở khác TIMs [10] Hình 1.3 Hình biểu diễn độ dẫn nhiệt dán nhiệt với hạt dẫn nhiệt Al2O3 ZnO theo phần trăm thể tích hạt [1] Hình 1.4 Phương trình đường thẳng ngoại suy độ dẫn nhiệt [11] Hình 1.5 Cấu trúc phân tử cao su silicon 11 Hình 1.6 So sánh tính chất loại cao su khác so với cao su thiên nhiên[13] 12 Hình 1.7 Thế đánh thủng điện mơi silicon theo độ dày[13] 13 Hình 1.8 Độ dẫn nhiệt cao su silicon so với số loại vật liệu khác[13] 13 Hình 1.9 Cấu trúc phân tử dầu silicon 14 Hình 1.10 Cấu trúc phân tử tinh thể nhôm oxit Al2O3 15 Hình 1.11 Mơ hình hạt dẫn nhiệt phân tán chất polyme tương ứng với a) hạt dẫn nhiệt kích thước nhỏ; b) hạt dẫn nhiệt kích thước lớn; c) pha trộn hai kích thước hạt khác 17 Hình 1.12 Cấu tạo hệ đo nhiệt trở theo tiêu chuẩn ASTM-D5470 .19 Hình 1.13 Các bước thử nghiệm hiệu tản nhiệt dán máy tính 21 Hình 2.1 Kính hiển vi điện tử qt (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 bột Al2O3: a) A-42 b) A-12 .29 Hình 3.2 Ảnh chụp mặt cắt ngang dán a) Si_AO42_1:2, b)Si_AO12_1:1, c) Si_AO_1:1 .30 Hình 3.3 Kết kiểm tra TGA mẫu sử dụng Silicon (Si) mẫu sử dụng hỗn hợp Silicon Al2O3 với tỉ lệ 1:2 (Si_AO_1:1,5) 31 Hình 3.4 Kết kiểm tra nhiệt trở theo mẫu dán SiD/SiK theo tỉ số khối lượng khác 33 SVTH : Qch Thị Ngọc Anh vi Khóa luận tốt nghiệp Hình 3.5 Kết kiểm tra nhiệt trở theo tỉ lệ hạt Al2O3 mẫu dán với thành phần cao su silicon pha trộn Al2O3 (A-42) 34 Hình 3.6 Kết đo nhiệt trở theo tỉ lệ Al2O3 dán với thành phần hỗn hợp silicon pha trộn Al2O3 (A-42) 35 Hình 3.7: Kết kiểm tra nhiệt trở mẫu dán với thành phần sử dụng Al2O3 với hai kích thước khác (A12/A42) 36 Hình 3.8 Kết đo nhiệt trở theo bề dày khác mẫu APT Led, Si_AO42_1:2 Si_AO12_1:1 .37 Hình 3.9 Kiểm tra hiệu tản nhiệt máy tính 39 Hình 4.1 Một số ứng dụng tiềm TIMs 41 SVTH : Quách Thị Ngọc Anh vii Khóa luận tốt nghiệp DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT BLT Bond Line Thickness Độ dày liên kết TIMs Thermal interface materials Vật liệu truyền dẫn nhiệt trung gian SVTH : Quách Thị Ngọc Anh viii Khóa luận tốt nghiệp LỜI GIỚI THIỆU Tấm dán truyền dẫn nhiệt trung gian tạo từ chất đàn hồi trộn với hạt gốm kim loại có độ dẫn nhiệt cao nghiên cứu, chế tạo thương mại hóa sản phẩm Tuy nhiên nghiên cứu chế tạo dán truyền dẫn nhiệt trung gian nói riêng hay TIMs nói chung cịn mẻ Việt Nam Sự bùng nổ sản phẩm đèn chiếu sáng LED công suất cao, điện thoại thông minh, thiết bị lượng mặt trời, đòi hỏi giải pháp truyền tản nhiệt hiệu Các TIMs linh kiện tản nhiệt đóng vai trị quan trọng TIMs có nhiều loại dán, keo, vật liệu chuyển pha TIMs dạng keo cho thấy hiệu dẫn nhiệt cao so với dạng vật liệu khác Tuy nhiên tồn nhiều khuyết điểm nguy chảy lỏng, phân tách pha, khó khăn mặt thao tác Đặc biệt ứng dụng cho thiết bị có diện tích lớn TIMs dạng keo khơng cịn thể hiệu truyền dẫn nhiệt tốt Để khắc phục nhược điểm keo người ta sử dụng dán có ưu điểm dễ dàng lắp ráp, độ ổn định nhiệt cao, tương thích tốt với bề mặt gồ ghề Với tiềm thị trường rộng lớn sản phẩm dán truyền dẫn nhiệt, đề tài tốt nghiệp em tập trung vào công việc chế tạo dán truyền dẫn nhiệt trung gian sử dụng chất silicon trộn với hạt nhơm oxit Al2O3 có độ dẫn nhiệt cao Nội dung đề tài tiến hành phân tích ảnh hưởng nồng độ silicon hạt Al2O3 đến độ dẫn nhiệt, hệ số dãn nở nhiệt, độ ổn định nhiệt dán Với đề tài nghiên cứu này, em mong muốn chế tạo dán có nhiệt trở thấp, độ dẫn nhiệt cao, ổn định nhiệt cao với kích thước lớn nhằm thương mại hóa sản phẩm SVTH : Quách Thị Ngọc Anh Khóa luận tốt nghiệp CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu tổng quan vật liệu 1.1.1 Sơ lược vật liệu truyền dẫn nhiệt trung gian (Thermal interfaces materials- TIMs) Hiện nay, phát triển kĩ thuật điện tử giúp làm giảm kích thước transistor, đáp ứng cho nhu cầu ngày cao chức tích hợp phức tạp mạch điện tử, từ tích hợp nhiều transistor vào thiết bị giúp nâng cao hiệu suất làm việc sản phẩm Tuy nhiên, bên cạnh việc gia tăng hiệu suất làm việc thiết bị dẫn đến tăng cao nhiệt thiết bị, hệ thống hoạt động đặt nhu cầu làm mát Như ta biết rằng, tuổi thọ thiết bị hàm mũ phụ thuộc vào nhiệt độ hoạt động Khi giảm nhiệt độ hoạt động thiết bị xuống khoảng từ 10-15℃ giúp tuổi thọ thiết bị tăng lên lần Do đó, vấn đề giảm nhiệt độ hoạt động cho thiết bị vấn đề cấp thiết Tuy nhiên, để tạo hệ thống làm mát có khả quản lý nhiệt hiệu mà không làm ảnh hưởng đến hiệu suất làm việc thiết bị, hệ thống lại thách thức lớn Nhiệt lượng tạo trình hoạt động thiết bị, hệ thống tản bên phận tản nhiệt như: quạt, phận chuyển đổi nhiệt Thông thường, thiết bị tiếp xúc trực tiếp với phận tản nhiệt Tuy nhiên, bề mặt thiết bị phận tản nhiệt thường không phẳng Khi quan sát cấp độ vi mơ ta thấy bề mặt gồ ghề, mấp mô Điều dẫn đến 99% bề mặt tiếp giáp bị tách kẽ hở khơng khí, diện tích truyền nhiệt thực tế nhỏ so với diện tích mà ta quan sát Trong đó, khơng khí có độ dẫn nhiệt thấp (kair = 0,026 W/mK) [1], làm cản trở nhiệt truyền từ thiết bị qua phận tản nhiệt Khi đó, hiệu suất tản nhiệt bị giới hạn dẫn đến tản nhiệt không hiệu SVTH : Quách Thị Ngọc Anh Khóa luận tốt nghiệp CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ BIỆN LUẬN 3.1 Kiểm tra vật liệu ban đầu Vật liệu nhơm ban đầu kiểm tra kích thước ảnh chụp SEM Hình 3.1 Ảnh chụp SEM bột Al2O3: a) A-42 b) A-12 Hình 3.1 ảnh chụp SEM hai loại hạt nhôm sử dụng đề tài Trong hình 3.1 (a) ảnh chụp SEM hạt Al2O3 mẫu A-42 cho ta thấy hạt dẫn nhiệt Al2O3 có hình dạng tiểu cầu phẳng với đường kính trung bình 5µm Ở hình 3.1 (b) ảnh chụp SEM hạt Al2O3 mẫu A-12 cho thấy hạt dẫn nhiệt Al2O3 đám hạt có đường kính 45-50µm cấu tạo từ nhiều hạt kích thước nhỏ khoảng 5-7µm với nhiều hình dạng khác dạng hay dạng tiểu cầu phẳng Kích thước hạt yếu tố ảnh hưởng đến tính chất nhiệt TIMs Kích thước hạt phù hợp giúp cải thiện độ dẫn nhiệt thông qua việc tăng độ dẫn dán, giảm nhiệt trở tiếp xúc dán với thiết bị cần tản nhiệt từ làm tăng hiệu suất tản nhiệt SVTH : Quách Thị Ngọc Anh 29 Khóa luận tốt nghiệp 3.2 Quan sát hình thái học mẫu dán truyền dẫn nhiệt trung gian a) b) c) Hình 3.2 Ảnh chụp mặt cắt ngang dán a) Si_AO42_1:2, b)Si_AO12_1:1, c) Si_AO_1:1 Trạng thái phân bố hạt dẫn nhiệt có vai trị quan trọng định dán truyền dẫn nhiệt trung gian có dẫn nhiệt tốt hay không Để dẫn nhiệt tốt hạt dẫn nhiệt cần phải tiếp xúc với để hình thành đường truyền nhiệt liên tục Hình 3.2 a) ảnh SEM chụp mặt cắt ngang dán truyền dẫn nhiệt trung gian chế tạo từ hỗn hợp silicon trộn với hạt dẫn nhiệt Al2O3 A-42với tỉ lệ 1:2 (kí hiệu Si_AO42_1:2) Từ hình 3.2 a) ta khơng thể thấy chuỗi hạt dẫn nhiệt dán, thấy hạt nhôm oxit phân tán đều, nhiên nhìn vào hình ta thấy xuất hạt có kích thước lớn 10µm Kích thước hạt Al2O3 ta sử dụng có kích thước 5µm nên ta kết luận hạt có kích thước lớn 10µm đám hạt Al2O3 kết tụ lại với Nhiều hạt Al2O3 nằm tụ lại với silicon bao bọc xung quanh Hiện tượng xảy trình phân tán chưa tốt, hạt dẫn nhiệt silicon chưa trộn lẫn hoàn toàn, gây nên kết tụ đám hạt Ngoài ra, ta thấy bên dán có tồn nhiều bọt khí , bọt khí lớn có đường kính gần 60µm Các bọt khí sinh trình khuấy trộn hỗn hợp Đây nguyên nhân làm gia tăng nhiệt trở dán truyền dẫn nhiệt trung gian Hình 3.2 b) ảnh SEM chụp mặt cắt ngang dán truyền dẫn nhiệt trung gian chế tạo từ hỗn hợp silicon trộn với hạt dẫn nhiệt Al2O3 A-12 với tỉ lệ 1:1 (kí hiệu SVTH : Quách Thị Ngọc Anh 30 Khóa luận tốt nghiệp Si_AO12_1:1) 3.2 c) ảnh SEM chụp mặt cắt ngang dán truyền dẫn nhiệt trung gian chế tạo từ hỗn hợp silicon trộn với hạt dẫn nhiệt Al2O3 gồm hai kích thước A-42 A-12 với tỉ lệ 1:1 (kí hiệu Si_AO_1:1) Có thể thấy mẫu Si_AO12_1:1 có độ mấp mơ lớn, hạt dẫn nhiệt có tiếp xúc với nhau, tiếp xúc hạt tồn khoảng trống lấp đầy silicon Đối với mẫu Si_AO_1:1 bề mặt mẫu phẳng hơn, hạt dẫn nhiệt phân tán silicon tạo thành mạng lưới dẫn nhiệt liên tục 3.3 Kiểm tra độ ổn định nhiệt Hình 3.3 Kết kiểm tra TGA mẫu sử dụng Silicon (Si) mẫu sử dụng hỗn hợp Silicon Al2O3 với tỉ lệ 1:2 (Si_AO_1:1,5) Hình 3.3 cho thấy kết phân tích TGA dán truyền dẫn nhiệt trung gian sử dụng silicon ( kí hiệu Si) mẫu sử dụng hỗn hợp silicon Al2O3 với tỉ lệ silicon/Al2O3 1:1,5 (kí hiệu Si_AO_1:1,5) Tấm dán gia nhiệt từ 30 đến SVTH : Quách Thị Ngọc Anh 31 Khóa luận tốt nghiệp 800oC với tốc độ 10oC/phút, vùng nhiệt bao trọn khoảng nhiệt độ hoạt động thiết bị ứng dụng thực tế Từ hình 3.3, đường cong TGA cho thấy thêm hạt dẫn nhiệt vào chất silicon giúp cải thiện độ ổn định nhiệt silicon Như xét 100oC, khối lượng mẫu silicon không trộn với hạt Al2O3 0,16% khối lượng mẫu silicon có hạt Al2O3 0,09% khối lượng Tương tự xét 400oC, mất khối lượng 2,49% 1,27% lượt tương ứng với mẫu Si Si_AO_1:1,5 Nguyên nhân cho việc cải thiện độ ổn định nhiệt dán truyền dẫn nhiệt trung gian quy kết cho tăng điểm liên kết ngang vật lý hóa học, bên cạnh cịn tương tác hạt dẫn nhiệt với chất silicon Khi nâng nhiệt độ đến 700oC, mẫu Si lại 16,27% mẫu Si_AO_1:1,5 lại 64,98% khối lượng Theo lý thuyết, mẫu Si_AO_1:1,5 có 40% silicon 60% Al2O3, biết Al2O3 có nhiệt độ nóng chảy cao 20000C nâng lên 7000C Al2O3 không bị ảnh hưởng Tuy nhiên phần trăm khối lượng lại mẫu Si_AO_1:1,5 lớn so với lý thuyết Nguyên nhân ta nâng nhiệt độ, số phân tử silicon xảy tái cấu trúc, liên kết với làm khối lượng phân tử tăng gấp 2-3 lần, làm tăng độ bền nhiệt Như theo kết kiểm tra khối lượng theo nhiệt độ hình 3.3, ta đưa kết luận khoảng nhiệt độ 400oC mẫu dán truyền dẫn nhiệt trung gian gần khơng có thay đổi thay đổi nhỏ, bay số dung môi hay silicon mạch ngắn, điều không gây nhiều ảnh hưởng dán SVTH : Quách Thị Ngọc Anh 32 Khóa luận tốt nghiệp 3.4 Kiểm tra nhiệt trở 3.4.1 Kiểm tra nhiệt trở mẫu dán với thành phần cao su silicon pha trộn dầu silicon Nhiệt trở (m2K/W) 8.00E-03 7.05E-03 7.00E-03 6.00E-03 5.00E-03 4.32E-03 4.00E-03 3.00E-03 2.10E-03 2.00E-03 1.32E-03 8.66E-04 2.07E-03 1.00E-03 0.00E+00 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 Tỉ số khối lượng SiD/SiK Hình 3.4 Kết kiểm tra nhiệt trở mẫu dán SiD/SiK theo tỉ số khối lượng khác Hình 3.4 cho thấy phụ thuộc nhiệt trở vào tỉ lệ dầu silicon dán truyền dẫn nhiệt trung gian với thành phần cao su silicon pha trộn với dầu silicon Kết cho thấy nhiệt trở dán giảm ta tăng nồng độ dầu silicon Nguyên nhân dẫn đến sụt giảm nhiệt trở kết luận ta tăng nồng độ dầu silicon giúp dán trở nên mềm dẻo, có độ bám dính cao Điều giúp cho dán tương tác tốt với bề mặt thiết bị, bên cạnh dán có mơ đun đàn hồi lớn có khả uốn lượn theo độ mấp mô thiết bị để tương thích tốt với bề mặt, giảm bề dày lớp tiếp xúc giúp làm giảm nhiệt trở Quan sát hình 3.4, ta nhận thấy nhiệt trở giảm mạnh lúc ban đầu sau giảm chậm nồng độ dầu silicon tăng lên Nguyên nhân nhiệt trở giảm không đáng kể độ dẫn nhiệt silicon không cao Tuy nhiên, việc tăng nồng độ silicon dầu ngồi việc cải thiện tính dán cịn giúp giảm độ nhớt hỗn hợp silicon, tạo điều kiện thuận lợi cho trình trộn với hạt dẫn nhiệt SVTH : Quách Thị Ngọc Anh 33 Khóa luận tốt nghiệp 3.4.2 Kiểm tra nhiệt trở mẫu dán với thành phần cao su silicon pha trộn Al2O3 Nhiệt trở (m2K/W) 4.00E-03 3.46E-03 3.50E-03 3.31E-03 3.00E-03 2.50E-03 2.19E-03 2.00E-03 1.50E-03 1.47E-03 1.00E-03 8.99E-04 5.00E-04 0.00E+00 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 Tỉ số khối lượng Al2O3/SiK Hình 3.5 Kết kiểm tra nhiệt trở theo tỉ lệ Al2O3 mẫu dán với thành phần cao su silicon pha trộn Al2O3 (A-42) Hình 3.5 cho thấy phụ thuộc nhiệt trở vào tỉ lệ hạt dẫn nhiệt Al2O3 dán với thành phần cao su silicon pha trộn Al2O3 Có thể thấy tăng nồng độ hạt dẫn nhiệt nhiệt trở giảm Để giải thích cho điều ta xem xét đến phân bố hạt dẫn nhiệt dán Khi nồng độ hạt thấp hạt nằm cách xa silicon bao xung quanh Do xác suất hạt tiếp xúc với để hình thành đường dẫn nhiệt liên tục thấp, silicon có độ dẫn nhiệt thấp đóng vai trị dẫn nhiệt làm cho dán có nhiệt trở cao Khi nồng độ hạt dẫn nhiệt cao hạt dẫn nhiệt xếp chặt khít hơn, xác suất hình thành đường dẫn nhiệt liên tục lớn Lúc silicon không bao trọn hạt dẫn nhiệt mà phủ theo hình dạng lấp đầy vào chỗ trống cấu trúc Hạt dẫn nhiệt đóng vai trị dẫn nhiệt, cịn silicon giúp định hình cải thiện nhiệt tiếp xúc bên dán SVTH : Quách Thị Ngọc Anh 34 Khóa luận tốt nghiệp 3.4.3 Kiểm tra nhiệt trở mẫu dán với thành phần hỗn hợp silicon pha Nhiệt trở (m2K/W) trộn Al2O3 2.00E-03 1.80E-03 1.60E-03 1.40E-03 1.20E-03 1.00E-03 8.00E-04 6.00E-04 4.00E-04 2.00E-04 0.00E+00 1.89E-03 1.34E-03 8.55E-04 6.48E-04 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 Tỉ số khối lượng Al2O3/Si Hình 3.6 Kết đo nhiệt trở theo tỉ lệ Al2O3 dán với thành phần hỗn hợp silicon pha trộn Al2O3 (A-42) Hình 3.6 cho thấy phụ thuộc nhiệt trở vào tỉ lệ hạt dẫn nhiệt Al2O3 dán với thành phần gồm hỗn hợp cao su silicon dầu silicon pha trộn Al2O3 Khi tăng nồng độ hạt dẫn nhiệt nhiệt trở giảm Để giải thích cho điều ta xem xét đến phân bố hạt dẫn nhiệt dán Khi nồng độ hạt dẫn nhiệt thấp, hạt nằm cách rải rác silicon bao xung quanh Do xác suất hạt tiếp xúc với để hình thành đường dẫn nhiệt liên tục thấp, silicon có độ dẫn nhiệt thấp đóng vai trị dẫn nhiệt làm cho dán có nhiệt trở cao Khi nồng độ hạt dẫn nhiệt cao hạt dẫn nhiệt xếp chặt khít hơn, xác suất hình thành đường dẫn nhiệt liên tục lớn Lúc silicon không bao trọn hạt dẫn nhiệt mà phủ theo hình dạng lấp đầy vào chỗ trống cấu trúc Hạt dẫn nhiệt đóng vai trị dẫn nhiệt, silicon giúp định hình cải thiện nhiệt tiếp xúc bên dán Tuy nhiên, nhìn vào đồ thị ta thấy khoảng chênh lệch nhiệt trở điểm khơng có xu hướng giảm dần 5,50E-4; 4,85E-4; 2,07E-4 Nguyên nhân nồng độ hạt dẫn nhiệt tăng cao độ phân tán khó làm cho nhiệt trở giảm chậm lại có khả không giảm tiếp tăng lên sau đạt đến giá trị tối ưu SVTH : Quách Thị Ngọc Anh 35 Khóa luận tốt nghiệp Từ kết đo nhiệt trở dán truyền dẫn nhiệt trung gian hai thành phần gồm cao su silicon/Al2O3 ba thành phần gồm hỗn hợp silicon/Al2O3 hình 3.5 3.6 ta nhận thấy việc pha trộn dầu silicon giúp làm giảm nhiệt trở dán truyền dẫn nhiệt trung gian Sự cải thiện hai yếu tố tạo thành Nguyên nhân thay đổi mặt tính chất lý, dầu silicon góp phần làm cho dán trở nên đàn hồi hơn, tương thích tốt với mấp mô bề mặt Nguyên nhân thứ hai dầu silicon góp phần làm giảm độ nhớt hỗn hợp silicon giúp tăng nồng độ tối đa Al2O3 Như phân tích việc tăng nồng độ hạt dẫn nhiệt góp phần làm giảm nhiệt trở dán, nhiên cao su silicon có độ nhớt cao, gây giới hạn nồng độ Al2O3 mặt thực nghiệm Chưa thể tìm điểm tối ưu thí nghiệm bị giới hạn khơng thể tăng nồng độ Al2O3 Nếu sử dụng cao su silicon tỉ lệ tối đa trộn với Al2O3 1:1 tương ứng với với nhiệt trở 8,99E-4 sử dụng hỗn hợp silicon ta trộn với nhiều Al2O3 với tỉ lệ 1:2 có nhiệt trở 6,48E-4 Như việc sử dụng hỗn hợp silicon từ cao su silicon dầu silicon cho thấy hiệu suất tản nhiệt tốt việc sử dụng silicon thành phần 3.4.4 Kiểm tra nhiệt trở mẫu dán với thành phần hỗn hợp Al2O3 với kích thước khác Hình 3.7: Kết kiểm tra nhiệt trở mẫu dán với thành phần sử dụng Al2O3 với hai kích thước khác (A12/A42) SVTH : Quách Thị Ngọc Anh 36 Khóa luận tốt nghiệp Hình 3.7 cho thấy kết kiểm tra nhiệt trở mẫu dán truyền dẫn nhiệt trung gian sử dụng Al2O3 trộn lẫn từ hai kích thước khác A12 (45-50µm) A42 (5-7µm) Đồ thị biểu diễn theo chiều tăng dần nồng độ hạt nhơm kích thước lớn A12 Nhiệt trở dán sử dụng hạt nhơm có hai kích thước cho thấy nhiệt trở thấp so với sử dụng hạt kích thước nhỏ A42 Nguyên nhân giảm nhiệt trở hạt Al2O3 kích thước lớn giúp rút ngắn quãng đường truyền nhiệt đồng thời làm tăng xác suất hình thành đường truyền nhiệt liên tục Bên cạnh hạt kích thước lớn tiếp xúc với để lại lỗ trống kích thước lớn, hạt Al2O3 kích thước nhỏ phân tán để lấp đầy vào lỗ trống đo hạt lớn để lại Ngoài hạt kích thước nhỏ lấp đầy vào mấp mô vi mô mà hạt lớn lấp đầy Sự xếp hai kích thước hạt góp phần giảm nhiệt trở tiếp xúc bên dán đồng thời làm giảm nhiệt trở tiếp xúc dán truyền dẫn nhiệt trung gian với hai bề mặt kim loại 3.5 Độ dẫn nhiệt Hình 3.8 Kết đo nhiệt trở theo bề dày khác mẫu APT Led, Si_AO42_1:2 Si_AO12_1:1 Từ kết đo nhiệt trở theo bề dày khác hình 3.8 ta ngoại suy độ dẫn nhiệt dán truyền dẫn nhiệt trung gian dựa độ dốc đồ thị SVTH : Quách Thị Ngọc Anh 37 Khóa luận tốt nghiệp Độ dẫn nhiệt dán tản nhiệt APT Led là: 1/tgα = 1,26W/mK Tương tự Si_AO42_1:2 là: 1,33W/mK Si_AO12_1:1 :1,69 W/mK Như dán truyền dẫn nhiệt trung gian dựa hỗn hợp silicon kết hợp với Al2O3 cho độ dẫn nhiệt tương đương chí lớn dán APT Led có thị trường Tuy nhiên nhìn vào hình 3.8 trích từ bảng số liệu đo ta có bề dày 9,50E-4; 9,70E-4; 1,05E-3 tương ứng với nhiệt trở 7,36E-4; 8,58E-4; 1,14E-3 APT Led, Si_AO42_1:2 Si_AO12_1:1 Thông qua kết thu ta tính độ dẫn nhiệt hiệu dụng dán APT Led, Si_AO42_1:2 Si_AO12_1:1 1,29; 1,13 0,92 Độ dẫn nhiệt hiệu dụng bao hàm ảnh hưởng nhiệt trở tiếp xúc hai bề mặt khác Do dán Si_AO42_1:2 Si_AO12_1:1 có độ dẫn nhiệt lớn so với dán APT Led lại có nhiệt trở tiếp xúc cao Như xét hiệu suất tản nhiệt dán Si_AO42_1:2 Si_AO12_1:1 thực tế thấp so với dán APT Led Từ kết ta nhận thấy việc sử dụng hạt nhơm kích thước lớn giúp làm tăng độ dẫn nhiệt đồng thời làm tăng nhiệt trở tiếp xúc Nguyên nhân dẫn đến điều quy kết cho khơng phù hợp bề mặt thiết bị kích thước hạt dẫn nhiệt Đối với bề mặt thiết bị đánh bóng tốt nên sử dụng dán chế tạo từ hạt dẫn nhiệt kích thước nhỏ Trong trường hợp bề mặt thiết bị đo đánh bóng có độ mấp mơ thấp khoảng 15µm việc sử dụng hạt kích thước q lớn làm cho dán không tiếp xúc tốt với thiết bị, làm giảm diện tích tiếp xúc thực tế, từ làm tăng nhiệt trở tiếp xúc Hình 3.8 cho thấy phụ thuộc nhiệt trở vào bề dày lớp tiếp xúc, nhiệt trở dán truyền dẫn nhiệt trung gian tăng bề dày lớp tiếp xúc tăng Khi bề dày tăng làm đường truyền nhiệt thiết bị cần tản nhiệt phận tản nhiệt trở nên dài thêm làm nhiệt trở tăng hiệu suất truyền nhiệt giảm Sự tăng nhiệt trở thân truyền nhiệt hạt Al2O3 hạt Al2O3 với silicon tồn nhiệt trở Do đường truyền nhiệt dài nhiệt trở lớn SVTH : Quách Thị Ngọc Anh 38 Khóa luận tốt nghiệp 3.6 Thử nghiệm máy tính Hình 3.9 Kiểm tra hiệu tản nhiệt máy tính Hình 3.9 cho kết kiểm tra nhiệt độ máy tính cho thấy dán truyền dẫn nhiệt trung gian giúp cải thiện đáng kể nhiệt độ hoạt động máy tính.Khi khơng sử dụng TIMs nhiệt độ hoạt động máy tính khoảng 89 - 90℃ Khi sử dụng dán truyền dẫn nhiệt trung gian nhiệt độ hoạt động máy tính thấp 71℃ dán có tỉ lệ hỗn hợp silicon với Al2O3 1:2 (Si_AO_1:2) 70℃ với dán APT Led thương mại Thấp khoảng 20℃ so với khơng có sử dụng dán, điều giúp tuổi thọ máy tính tăng lên đáng kể SVTH : Quách Thị Ngọc Anh 39 Khóa luận tốt nghiệp CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 4.1 Kết luận - Thông qua kết đo nhiệt trở mẫu dán truyển dẫn nhiệt trung gian, khảo sát ảnh hưởng nồng độ silicon dầu hạt dẫn nhiệt Al2O3 lên nhiệt trở dán truyền dẫn nhiệt trung gian + Khi tăng nồng độ silicon dầu dán truyền dẫn nhiệt trung gian giúp làm giảm nhiệt trở, ta tăng nồng độ dầu silicon giúp dán trở nên mềm dẻo có độ bám dính cao Điều giúp cho dán tương tác tốt với bề mặt thiết bị, bên cạnh dán có mơ đun đàn hồi lớn có khả uốn lượn theo độ mấp mơ thiết bị để tương thích tốt với bề mặt, đồng thời giảm bề dày lớp tiếp xúc giúp cải thiện độ dẫn nhiệt + Khi tăng nồng độ hạt dẫn nhiệt Al2O3 vào chất silicon làm giảm nhiệt trở độ dẫn nhiệt dán Do nồng độ hạt dẫn nhiệt cao hạt dẫn nhiệt xếp chặt khít hơn, xác suất hình thành đường dẫn nhiệt liên tục lớn Lúc silicon không bao trọn hạt dẫn nhiệt mà phủ theo hình dạng lấp đầy vào chỗ trống cấu trúc Hạt dẫn nhiệt đóng vai trị dẫn nhiệt, silicon giúp định hình cải thiện nhiệt tiếp xúc bên dán giúp giảm nhiệt trở tăng độ dẫn nhiệt Bên cạnh việc cải thiện tính truyền nhiệt dán, việc tăng nồng độ hạt dẫn nhiệt Al2O3 cịn góp phần cải thiện độ ổn định nhiệt độ bền nhiệt dán Nguyên nhân cho việc cải thiện độ ổn định nhiệt dán truyền dẫn nhiệt trung gian quy kết cho tăng điểm liên kết ngang vật lý hóa học, bên cạnh cịn tương tác hạt dẫn nhiệt với chất silicon độ bền nhiệt Al2O3 lớn 2000oC + Khảo sát trộn lẫn hai loại Al2O3 với kích thước khác (5µm + 45µm) cho thấy nhiệt trở thấp so với sử dụng hạt kích thước nhỏ A42 Các hạt Al2O3 kích thước lớn góp phần rút ngắn qng đường truyền nhiệt, làm tăng xác suất hình thành đường truyền nhiệt liên tục Khi hạt kích thước lớn tiếp xúc với để lại lỗ trống kích thước lớn, hạt Al2O3 kích thước nhỏ phân tán để lấp đầy vào lỗ trống đo hạt lớn để lại Ngồi hạt kích thước SVTH : Quách Thị Ngọc Anh 40 Khóa luận tốt nghiệp nhỏ lấp đầy vào mấp mô vi mô mà hạt lớn lấp đầy Sự xếp hai kích thước hạt góp phần giảm nhiệt trở tiếp xúc bên dán đồng thời làm giảm nhiệt trở tiếp xúc dán truyền dẫn nhiệt trung gian với hai bề mặt kim loại - Chế tạo thành công dán silicon/Al2O3 có độ dẫn nhiệt 1,33 W/mK 1,69 W/mK tương ứng với Al2O3 A42 A12 tương đương với độ dẫn nhiệt số sản phẩm dán tản nhiệt có mặt thị trường Tuy nhiên hiệu suất tản nhiệt mẫu dán silicon/Al2O3 thực tế tương đương chí thấp so với dán APT Led nhiệt trở tiếp xúc cao Thử nghiệm hiệu tản nhiệt mẫu dán máy tính cho thấy khả tản nhiệt sản phẩm 4.2 Hướng phát triển - Cải thiện nhiệt trở tiếp xúc dán truyền dẫn nhiệt trung gian với hai bề mặt kim loại thiết bị để nâng cao hiệu suất tản nhiệt - Khắc phục vấn đề bọt khí bên dán cách hút chân không, nâng nhiệt sử dụng chất phá bọt - Ứng dụng sản phẩm dán truyền dẫn nhiệt trung gian vào việc tản nhiệt cho thiết bị sống điện thoại di động, máy tính, đèn Led Hình 4.1 Một số ứng dụng tiềm TIMs SVTH : Quách Thị Ngọc Anh 41 Khóa luận tốt nghiệp TÀI LIỆU THAM KHẢO L.C Sima, S.R Ramanana, H Ismaila, K.N Seetharamub and T.J Gohc, Thermal characterization of Al2O3 and ZnO reinforced silicone rubber as thermal pads for heat dissipation purposes G R Cunnington, Jr.,BThermal conductance of filled aluminum and magnesium joints in a vacuum environment,[presented at the ASME Winter Annu Meeting, New York, 1964, ASME Paper No 64-WA/HT-40 Y Xu, X Luo, and D D L Chung,B Sodium silicate based thermal interface material for high thermal contact conductance,’’.J Electron Packag., vol 122, pp 128–131, 2000 R C Getty and R E Tatro,B Spacecraft thermal joint conduction,[presented at the Thermophysics Specialist Conf., New Orleans, LA, 1967, AIAA Paper No 67-316 L S Fletcher,BA review of thermal enhancement techniques for electronics systems,’’ IEEE Trans Compon., Hybrids, Manuf Technol.,vol 13, no 4, pp 1012–1021, Dec 1990 S R Mirmira, E E Marotta, and L S Fletcher,BThermal contact conductance of adhesives for microelectronic systems,[J Thermophys Heat Transf., vol 11, no 2, pp 141–145, 1997 E E Marotta and L S Fletcher,B Thermal contact conductance of selected polymeric materials,’’ J Thermophys Heat Transf., vol 10, no 2, pp 334–342, 1996 E E Marotta and B Han,BThermal control of interfaces for microelectronic packaging,[Proc Material Research Soc Symp.,1998,vol 515, pp 215–225 Y Xu, X Luo, and D D L Chung,B Sodium silicate based thermal interface material for high thermal contact conductance,’’.J Electron Packag., vol 122, pp 128–131, 2000 10 R Mahajan, B Thermal Interface Materials: A brief review of design characteristics and materials SVTH : Quách Thị Ngọc Anh 42 Khóa luận tốt nghiệp 11 3M Technical Bulletin, Characteristics of thermal interface materials 12 F Sarvar, D C Whalley and P P Conway, Thermal Interface Materials - A Review of the State of the Art 13 ShinEtsu, Characteristic properties of Silicone Rubber Compounds 14 Bayer AG, Leverkusen, Silicones SVTH : Quách Thị Ngọc Anh 43 ... truyển dẫn nhiệt trung gian, khảo sát ảnh hưởng nồng độ silicon dầu hạt dẫn nhiệt Al2O3 lên nhiệt trở dán truyền dẫn nhiệt trung gian + Khi tăng nồng độ silicon dầu dán truyền dẫn nhiệt trung gian. .. gia tăng nhiệt trở dán truyền dẫn nhiệt trung gian Hình 3.2 b) ảnh SEM chụp mặt cắt ngang dán truyền dẫn nhiệt trung gian chế tạo từ hỗn hợp silicon trộn với hạt dẫn nhiệt Al2O3 A-12 với tỉ lệ... thức tính nhiệt trở (1.1):