עקרונות תרמיים ואסטרטגיות שיפור של חומרי ממשק תרמי
עם התפתחותם של מכשירים אלקטרוניים מודרניים לקראת מזעור, צפיפות הספק גבוהה ואינטגרציה גבוהה, בעיית פיזור החום של מכשירים אלקטרוניים הפכה לגורם מפתח המשפיע על חיי השירות והביצועים של מכשירים, במיוחד בתחום ה-5G. לכן, יש צורך בפתרונות ניהול תרמיים טובים יותר כדי לפתור בעיה זו. באופן כללי, יש להעביר את החום שנוצר על ידי מכשירים אלקטרוניים אל פני השטח של גוף הקירור, ומילוי חומרי ממשק תרמי (TIMs) בין המכשיר האלקטרוני לגוף הקירור יכול למקסם את קיבולת העברת החום.
TIMs מורכבים בעיקר ממטריצות אורגניות וחומרי מילוי אנאורגניים. לכן, המוליכות התרמית הכוללת של TIMs תיקבע על ידי המוליכות התרמית של פולימרים וחומרי מילוי אנאורגניים, ההתנגדות התרמית הממשקלת של פולימרים וחומרי מילוי אנאורגניים, וההתנגדות התרמית הממשקלת בין משטחי המגע של חומרי מילוי אנאורגניים. המוליכות התרמית נקבעת בעיקר על ידי אלקטרונים או/ו פונונים, והחום שנוצר מהשבב מועבר לגוף הקירור דרך Tims, ובכך משיג סירקולציה של מערכת פיזור החום וקירור מכשירים אלקטרוניים.
הולכת חום אלקטרונית מתרחשת בעיקר בחומרים מוליכים תרמיים. כאשר חומרים אלה נמצאים בסביבה לא מאוזנת, אלקטרונים יתפזרו מטמפרטורות גבוהות לנמוכות, וייצרו זרמים וזרמי חום מתאימים, וכתוצאה מכך הולכת חום אלקטרונית. במדיה ובפולימרים לא מוליכים, הולכת חום היא בדרך כלל הולכת חום פונון. כאשר צד אחד של סוג זה של חומר מחומם, הסריג של החומר רוטט, והרעידה המתאימה מועברת לאטומים סמוכים, וכתוצאה מכך העברת זרימת חום בחומר. בדרך כלל, TIMs שאנו פוגשים הם מסוג זה. כמרכיב של TIM, לחומרי מילוי אנאורגניים שאינם מתכתיים יש פיזור סריג קבוע יחסית, ופונונים יכולים להתפשט לאורך כיוון הסריג, ולעתים קרובות מציגים מוליכות תרמית מצוינת; במרכיב חשוב נוסף של פולימר, שרשראות פולימר שלובות זו בזו ואינן מוליכות פונונים במהירות גבוהה. הפונונים הללו מפוזרים מאוד בממשק שרשרת הפולימר, וכתוצאה מכך הפחתה משמעותית בזרימת הפונונים וירידה במוליכות התרמית. לכן, הפחתת פיזור הפונונים חשובה במיוחד לשיפור מוליכות תרמית.
השיטה המקובלת לבניית TIM היא שימוש בחומרי מילוי אנאורגניים בעלי מוליכות תרמית גבוהה. עם זאת, בשל המוליכות התרמית הנמוכה של פולימרים פולימריים, המוליכות התרמית הכוללת של TIMs הבנויים בדרך זו אינה אידיאלית לעתים קרובות בשל ההתנגדות התרמית שלהם עם חומרי מילוי אנאורגניים. לכן, הפחתת ההתנגדות התרמית הממשקלית בין חומרי מילוי אנאורגניים לפולימר, חומרי מילוי אנאורגניים וחומרי מילוי אנאורגניים, ובניית מסלולי מוליכות תרמית, או התחשבות בשניהם, הפכו לכיוון לשיפור המוליכות התרמית של TIM.
המזעור וההספק הגבוה של מוצרים וציוד אלקטרוניים מחייבים שיפור מתמיד של המוליכות התרמית של חומרים מוליכים תרמיים. לכן, מוליכות תרמית גבוהה, טיקוטרופיה מעולה ויציבות אחסון טובה הם כיוון המחקר והפיתוח החשוב ביותר של חומרים מוליכים תרמית.
