Tepelně vodivá lepidla – vše, co potřebujete vědět o tepelně vodivých lepidlech

Tepelně vodivá lepidla se primárně používají k odvodu tepla z výkonové elektroniky. Používají se především pro lepení chladičů. Například tepelně vodivá lepidla se primárně používají ke snížení napětí, aby se zabránilo zhoršení výkonu a selhání elektronických součástek.

Tepelně vodivá lepidla se používají hlavně k lepení chladičů, LED diod a dalších elektronických součástek generujících teplo. Většina tepelných lepidel se spojí s kovy i plasty a zajistí trvalou fyzickou pevnost.

K výrobě tepelně vodivých lepidel se používají syntetické pryskyřice s plnivovými složkami z kovových a anorganických materiálů. Kovová plniva, jako je stříbro nebo grafit, nabízejí nejlepší koeficienty tepelné vodivosti. Tyto vlastnosti však činí lepidlo elektricky vodivým, což je v různých aplikacích nežádoucí. Aby bylo dosaženo tepelné vodivosti a zároveň elektrické izolace, je nutné používat lepidla vyztužená minerálními plnivy.

Druhy tepelně vodivých lepidel

Rozlišujeme 3 druhy tepelně vodivých lepidel:

1. epoxidová lepidla
2. silikonová lepidla
3. polyuretanová lepidla

1. Epoxidové lepidlo

Epoxidová lepidla jsou vyrobena ze směsi dvou složek, především pryskyřice a tvrdidla. Když se pryskyřice smíchá s vhodným katalyzátorem, zahájí se vytvrzování. Vytvrzování je proces, při kterém molekulární řetězce reagují s chemicky aktivními místy, což vede k exotermické reakci. Je také důležité vědět, že kovalentní vazby, které existují mezi epoxidovými skupinami pryskyřice a aminovými skupinami tvrdidel, jsou vytvořeny dvojitou kombinací zesítění polymeru.

Určité rozdíly ve vlastnostech mechanické pevnosti nastávají řízením podmínek vytvrzování s teplotou a volbou pryskyřice a tvrdidel. Epoxidová lepidla se používají především jako jednosložkové nebo dvousložkové systémy. Jednosložková epoxidová lepidla lze vytvrzovat při teplotách cca 120-150 C. Tyto podmínky mají za následek vyšší pevnost a také vynikající přilnavost ke kovům, což má za následek vysokou chemickou odolnost.

2. Silikonové lepidlo

Silikonové lepidlo je všestranný, voděodolný polymer, jehož hlavní složkou je oxid křemičitý, který se nachází především v křemeni. Termín silikon primárně odkazuje na skupinu polymerů, které mají siloxanovou vazbu s organickými sloučeninami. Výroba silikonových lepidel začíná především izolací křemíku z oxidu křemičitého. Díky speciálním vlastnostem je křemík velmi odolný. Navíc elasticita a další vlastnosti oxidu křemičitého zůstávají nezměněny při jakékoli teplotě. Silikonová lepidla se primárně používají k lepení kovů díky své pružnosti a vlastnostem a také schopnosti lepit různé substráty.

Silikonová lepidla se primárně vyrábějí izolací oxidu křemičitého od křemíku. Oxid křemičitý se obecně vyskytuje v čisté formě v určitých minerálech. Silikonová lepidla a tmely jsou primárně vyrobeny z polymerovaného silikonu. Když silikon není vytvrzený, tvoří vysoce lepivý gel i kapalinu. Použití je zcela bezpečné a používá se v různých aplikacích, které jsou většinou netoxické. Existují různé typy silikonových lepidel, např. B. Vysokoteplotní silikonová lepidla, vulkanizační silikonová lepidla při pokojové teplotě (RTV), silikonová kaučuková lepidla atd.

3. Polyuretanové lepidlo

Polyuretanová lepidla jsou primárně termoplastická lepidla nebo polymery obsahující repliky organických řetězových jednotek spojených primárně uretanovými články. Chemická reakce mezi polymery vede k vytvoření lepidla. Obecně jsou polyuretanová lepidla převážně hnědá nebo průhledná. Pigmenty jako zelená nebo červená barva mohou být přidány hlavně pro účely aplikace, jako je stříkání, aby byly viditelné v oblastech aplikace. Používají se ve stavebnictví, výrobě nábytku, laminování, podlahových krytin a střešních krytin, letectví a chladírenských skladů. Polyuretanová lepidla jsou k dispozici především jako 2složkové lepidlo nebo jako jednosložkové lepidlo. 2složkové lepidlo obvykle vytvrzuje mnohem rychleji než 1složková varianta a trvá asi 30 minut, v závislosti na požadavku. Polyuretanová lepidla jsou tmely, které mohou vytvrdnout i za obtížných podmínek, jako je teplo a vlhkost. Kromě toho jsou polyuretanová lepidla vhodná i na různé materiály, jako je kov, dřevo, beton, pryž, epoxidová pryskyřice a sklo. Je také důležité vědět, že PUR lepidla jsou poměrně vodotěsná; nicméně odolnost vůči vodě se obecně liší podle složení. Polyuretanová lepidla jsou navíc šetrná k životnímu prostředí, protože neobsahují rozpouštědla a mají velmi nízkou hodnotu VOC. Kromě toho jsou také bezpečné pro potraviny.

Polyuretanová lepidla nebo PU lepidla jsou velmi univerzální a mají nejlepší vlastnosti. Jsou také upraveny tak, aby poskytovaly vlastní vzorce, které lze vyvinout na základě konkrétních aplikací. To zahrnuje schopnost měnit fyzikální vlastnosti, jako je viskozita, a aplikační vlastnosti, jako je doba zpracovatelnosti. Polyuretanová lepidla lze rozdělit do dvou hlavních kategorií, 1složkové nebo „částečné“ a 2složkové nebo 2složkové systémy s nejlepšími výhodami a nevýhodami každé z nich.

Chemická reakce mezi isokyanátem a polyolem slouží jako základ pro všechny polyuretanové tmely a lepidla. Pro 2K systémy jsou isokyanát a polyol vyráběny a dodávány samostatně. Aby došlo k zahájení chemické reakce a správnému provázání systému, musí se obě složky těsně před použitím smíchat. Aby to bylo zajištěno, musí být zajištěn přesný poměr složek a dostatečné promíchání pro dosažení požadovaných polyuretanových lepicích vlastností.

Naproti tomu 1složkové systémy při výrobě polyuretanových lepidel se vyrábějí převážně s polyolem, který reaguje s přebytečným izokyanátem, takže polyolový řetězec může být ukončen izokyanátovou skupinou. Poměr isokyanátu a polyolu určuje délku řetězce koncového polyuretanového polymeru. Je třeba také poznamenat, že tento polyuretanový prepolymer je nejdůležitější reaktivní složkou pro 1K adhezivní systémy.

Pro dokončení reakce musí 1K systém interagovat s vodou, aby došlo k úplnému zesíťování. Je také důležité si uvědomit, že v 1K systému musí být voda, aby se zesíťoval, a že voda může být vlhkost z atmosféry.

Aplikace tepelně vodivých lepidel

Tepelně vodivá lepidla se primárně používají pro zalévání, potahování a jiné aplikace zapouzdření. Některé ze specifických použití jsou

A. Lepení pro odvod tepla

Určité součásti tepelně vodivých epoxidových a silikonových sloučenin se primárně používají k lepení chladičů na elektronické součástky a desky s obvody pro odvod tepla. Primárně jsou navrženy tak, aby zabránily přehřátí a předčasnému selhání součástí. Tepelná pasta se používá v počítačích, LED diodách, laserech, elektrických vozidlech, ledničkách, herních systémech a mobilních telefonech.

b. Zalévání/zapouzdření senzorů

Tepelně vodivá lepidla se také používají pro zalévání a zapouzdření senzorů. Používají se především proto, že mohou být pevně spojeny s různými materiály a také poskytují ochranu před různými chemikáliemi. Použití tepelně vodivých lepidel pro zalévání a zapouzdření poskytuje formulacím dodatečnou ochranu před vlhkostí a různými typy korozivních činidel. Použití tepelně vodivých lepidel v zalévání také poskytuje vyšší úroveň ochrany před jakýmkoli typem vlhkosti a také před korozivními činidly, jako jsou vibrace, nárazy, hromadění tepla a další. Některé epoxidy však mohou být poněkud tuhé; jsou však formulovány tak, aby byly flexibilnější, což má za následek snadné zotavení.

C. balíček váhy na třísky

Technologie čipových obalů se používají hlavně pro elektronické produkty a jejich popularita je vysoká kvůli rostoucí poptávce po kompaktních a přenosných elektronických systémech. Tepelně vodivá lepidla jsou široce používána pro balení čipů, protože poptávka po přenosné elektronice roste.

tj. výkonové polovodiče

Vedení, proudění a záření jsou tři hlavní způsoby, jak je z elektronického zařízení odváděno teplo. Vedení přenáší většinu tepla ze zdroje tepla v jádru zařízení přes polovodičový substrát, olověné rámečky, ke kterým je čip připevněn, a formovací materiál, který zařízení zapouzdřuje, na vnější povrch zabalené polovodičové součástky. V této fázi může být teplo dále transportováno vedením přes jakoukoli pevnou látku, se kterou zařízení přichází do styku, např. B. obvodovou deskou nebo externím chladičem.

Hodnoty tepelného odporu pro zabalená zařízení poskytují výrobci polovodičů jako konstrukční pomůcku pro posouzení jejich schopnosti manipulace s výkonem. Tato hodnota, obvykle vyjádřená jako tepelný odpor mezi přechodem a okolím, se používá k výpočtu výkonu, který lze bezpečně rozptýlit uvnitř zařízení, aniž by došlo k překročení specifikované maximální teploty přechodu (Tj).

Z tohoto důvodu je většina výkonových polovodičů vybavena tepelně vodivými lepidly.

Tepelně vodivé lepidlo vs. tepelně vodivé mazivo

Než vysvětlíme rozdíl mezi tepelně vodivým lepidlem a tepelně vodivým mazivem, vysvětlíme si, co je tepelně vodivé mazivo

Tepelné mazivo, také známé jako tepelné mazivo nebo tepelná pasta, je látka používaná ke zlepšení přenosu tepla mezi dvěma povrchy, obvykle mezi mikroprocesorem a chladičem. Většina mikroprocesorů nemá úplně plochou horní část. Některé obsahují drobné drážky, zatímco jiné mají mírné vyboulení, které vytváří vzduchové mezery mezi CPU a chladičem, které snižují chladicí výkon chladiče. Na horní část CPU a spodní část chladiče je nanesena malá vrstva teplovodivé pasty, která vyplní vzduchové prostory.

Nyní pochopíme některé vlastnosti tepelného lepidla.

Protože tepelná pasta je elektricky izolační a tepelně vodivá, lze ji použít prakticky v jakékoli elektronické aplikaci, která vyžaduje spojení mezi komponenty tepelného managementu. Tyto vlastnosti však vyžadují specifické chemické složení. Tepelná pasta a většina tepelných konektorů se skládá ze dvou hlavních součástí:

– Matrice je polymerní základ, který se běžně používá.

– Kovové plnivo, tekuté nebo mikronizované

Tepelná a elektrická vodivost maziva je určena poměrem mezi těmito dvěma složkami. Každá směs tuku má své výhody a účinky, které závisí na poměru.

Nyní pochopíme vztah mezi tepelnými lepidly a tepelnou pastou.

Tepelná pasta se také může chovat jako lepidlo v závislosti na polymerní chemii kapalné matrice. Kvůli svým lepivým vlastnostem někteří výrobci označují tepelnou pastu jako „tepelné lepidlo“. Tepelná lepidla se dodávají v různých tvarech a velikostech, včetně tuhé pásky, která poskytuje rychlou fixaci pro adhezi v situacích s nízkou tepelnou vodivostí. Tato lepidla mohou být také typická lepidla, která se nanášejí v kapalné formě a po vytvrzení mají lepivé vlastnosti.

Nyní pochopíme některé výhody použití tepelně vodivého lepidla.

Výhody tepelně vodivého lepidla

• Vysoká pevnost a dobrá přilnavost s ohledem na různé podkladové materiály
• Odolnost vůči velmi vysokým a nízkým teplotám, umožňuje přizpůsobení se různým typům rozpínání a smršťování mezi různými substráty
• Vyšší odolnost vůči jakýmkoliv chemikáliím, vodě a vlhkosti
• Kromě toho je pomocí tepelně vodivých lepidel dosaženo nízkého odplyňování, čímž se minimalizuje riziko poškození citlivých obvodů.
• Tepelně vodivé lepidlo je navíc nekorozivní, a tudíž ekologické.
• Tepelně vodivá lepidla jsou odolná vůči tepelným šokům, nárazům a vibracím.
• Tepelně vodivá lepidla jsou také schopna přežít vyšší úrovně procesů přetavování pájky.
• Tepelně vodivá lepidla navíc ve větší míře splňují požadavky RoHS a REACH.

Aplikační metody pro tepelně vodivé lepidlo

V současné době se k připevnění používají tepelně vodivá lepidla ve formě pásků nebo kapalin a také nevodivá lepidla. První zahrnují silikony, epoxidy a akryláty, zatímco druhé zahrnují tepelně vodivé podložky nebo tuky. Ve spojení s podložkami lze použít lepidla nebo mechanické spojovací prvky. Některé podložky jsou dodávány s lepidly citlivými na tlak pro snadnou montáž, zatímco jiné se připevňují pomocí klipů. Tepelně vodivé mazivo, stejně jako některé podložky, musí být používáno s kovovými sponami. Držáky, které jsou obvykle vyrobeny z nerezové oceli, umožňují snadné připevnění a jsou odolné i proti nejdrsnějším nárazům a vibracím. Nejtypičtější aplikací jsou mikroprocesory. K výrobě tepelně vodivých lepicích pásek se používají polyimidové nebo polyesterové fólie a akrylová lepidla citlivá na tlak.

Stejně jako lepicí páska mohou epoxidová lepidla poskytovat vynikající tepelnou a elektrickou izolaci, díky čemuž jsou vynikajícími chladiči pro tranzistory, součástky, pouzdra a desky plošných spojů. Příkladem je skelná tkanina impregnovaná epoxidovou pryskyřicí. Stejně jako lepicí pásky se epoxidové předlisky často nanášejí ručně. I když se snadno instalují, vyžadují ruční polohování operátorem. Proces, který je přívětivý pro obsluhu, může být proto na úkor celkové propustnosti produktu. Lepicí pasty z epoxidové pryskyřice by měly být prozkoumány, protože umožňují automatizaci hromadné výroby. Jsou nejběžněji používanou látkou pro lepení komponentů. Zatímco se běžně používá sítotisk, vysokoteplotní dielektrické epoxidové povlaky jsou výhodné pro použití při vysokých teplotách.

Požadavky na tepelně vodivá lepidla ve výrobním procesu

Lepidla mohou podporovat širokou škálu aplikačních segmentů a poskytovat výkonové charakteristiky potřebné pro výrobní kompatibilitu, strukturální podporu a ochranu. Lepidla, například, musí být schopna během výroby volně téci, aby se zabránilo tvorbě dutin, a zároveň musí mít krátké doby vytvrzování, aby se celý proces urychlil. Lepidla také musí bezpečně přilnout k povrchům a vytvořit pevné spojení mezi chladiči a součástkami na desce plošných spojů nebo čipu a balíčku integrovaného obvodu.

Ve skutečnosti může být rozhraní mezi čipem a stranou obalu vystaveno některému z nejzávažnějších namáhání v elektronické sestavě. Když jsou dva různé materiály spojeny dohromady, mohou změny v jejich koeficientech tepelné roztažnosti (CTE) způsobit napětí a napětí, které může vazbu oslabit nebo dokonce přerušit. I při běžném provozu zařízení může docházet ke kolísání teploty, které toto spojovací rozhraní dále namáhá. Inženýři se mohou vyrovnávat s nesouladem tepelné roztažnosti mezi matricí a balením pomocí lepidel se správným CTE, která minimalizují napětí a zároveň poskytují odpovídající konstrukční podporu pro sestavu.

Výzvy v oblasti tepelných lepidel

S rostoucí poptávkou po lepším tepelném managementu hledají inženýři lepidla, která efektivněji odvádějí teplo z citlivých součástí a kompletních sestav. Tepelné vlastnosti lepidel jsou často specifikovány z hlediska tepelné vodivosti, která popisuje schopnost materiálu přenášet teplo skrz sebe. Tepelný management v elektrotechnickém designu je naproti tomu spíše o odvádění nebo transportu tepla z čipu přes obal nebo ze součástky přes chladič.

Vnitřní schopnosti přenosu tepla, popsané kritérii tepelné vodivosti, jsou pouze částí hlavního cíle pro inženýra. Praktičtější vlastností u typické montáže výrobku je tepelný odpor materiálu. Snadnost, s jakou může teplo proudit přes rozhraní mezi povrchem čipu (nebo zařízení) a propojovacím materiálem a nakonec přes kontakt mezi propojovacím materiálem a obalem, se nazývá tepelný odpor (nebo chladič).

Tloušťka vazby a typ povrchů, které se setkávají na rozhraní vazby, mohou bránit přenosu tepla v jakékoli sestavě produktu, ať už se jedná o čip, který je připojen k obalu, nebo součást, která je připojena k chladiči. Podle Fourierovy rovnice pro vedení tepla je rychlost tepelného toku prostředím nepřímo úměrná tloušťce média. Výrobci se proto při spojování materiálů snaží o co nejmenší spojovací linie. Ve skutečnosti je tenká spojovací linie výhodnější než velká, protože nejen snižuje tepelný odpor, ale také snižuje napětí v rozích spojovací linie. Také úzká linie lepidla má za následek nižší koncentraci vzduchových dutin ve srovnání s tlustou linkou lepidla.

Závěr

To vše se týkalo tepelně vodivých lepidel. Tepelně vodivá lepidla již dlouho hrají důležitou roli ve výrobě elektroniky a podle trendů v oboru poptávka po tepelně vodivých materiálech roste. Inženýři potřebují materiály, které mohou odvádět více tepla z moderních elektrických zařízení pro rychle se rozvíjející průmyslová odvětví, jako je špičková elektronika, LED osvětlení a další. Tepelně vodivá lepidla nejen splňují různé potřeby tepelného managementu v tomto prostředí, ale také stejně náročné požadavky na výrobní montáž a prodlouženou životnost produktu.

 

Nejčastěji kladené dotazy

1. Jak míchat a měřit tepelné lepidlo? ?

Před vážením nebo dávkováním je důležité všechny produkty promíchat. Nejprve zkuste před smícháním pečlivě zvážit jak pryskyřice, tak tvrdidla nebo prášky a pojiva do samostatných nádob. Pokuste se obě části lepicích systémů před použitím důkladně promíchat.

Nesprávné vážení nebo míchání může mít za následek nevytvrzení materiálů, změkčení povrchu a vzduchových dutin a měknutí při zvýšené teplotě.

2. Jak lze slepit různé materiály?

Výběrem lepidla s koeficientem tepelné roztažnosti, který je přizpůsoben lepeným materiálům. Pokud je to možné, zvolte pružný epoxid. Pokuste se před lepením odstranit nečistoty, oleje a mastnotu a povrch mechanicky zdrsnit. Materiály by měly vytvrzovat při pokojové teplotě po dobu 4-16 hodin.

3. Jak se mají lepidla ředit pro aplikaci?

Většina výrobců doporučuje pro ředění lepidel komerčně dostupný ředící prostředek, protože jeho použití je relativně snadné. Všechny štítky lepicích ředidel udávají, kolik ředidla lze použít; proto byste měli postupovat podle pokynů a opatření.

4. Jak ovládat keramická lepidla a litou keramiku?

Přebytek aktivátoru nebo další voda aplikovaná na nevytvrzené směsi při použití keramických materiálů může mít za následek popraskané a slabé odlitky, zapouzdření nebo lepené spoje. Zkontrolujte směšovací poměr použitý při míchání složek. Lité keramiky dosahují maximální pevnosti po tepelném zpracování.