Nadchodzą materiały termoprzewodzące o wysokiej wydajności

Materiały TIM mogą występować w różnych formach, w tym jako podkładki szczelinowe, pasty termoprzewodzące, kleje termoprzewodzące i materiały zmiennofazowe. Czynniki wpływające na wdrażanie technologii termoprzewodzących są zróżnicowane - od popytu na wysoką przewodność cieplną materiałów termoprzewodzących w branży półprzewodników i centrów danych, po niższy koszt jednostkowy takich materiałów stosowanych w akumulatorach pojazdów elektrycznych.

TIM-y są powszechnie stosowane w przemyśle elektronicznym. Często umieszcza się je pomiędzy źródłami ciepła a radiatorami w celu przyspieszenia wymiany ciepła w pionie i poziomie. Dlatego przy ocenie TIM-ów przewodnictwo cieplne odgrywa kluczową rolę. Oprócz przewodności cieplnej, w zależności od docelowych zastosowań bardzo istotne są właściwości mechaniczne, takie jak szybkość regeneracji pod wpływem drgań czy odporność na zmęczenie i odkształcenia.

Prognoza wielkości rynku Thermal Interface Materials (źródło: IDTechEx)

Moduły TIM do akumulatorów i elektroniki mocy pojazdów elektrycznych

Ze względu na rosnącą gęstość energii i zapotrzebowanie na moc akumulatorów i układów elektronicznych pojazdów elektrycznych, a także szybką adopcję pojazdów elektrycznych, przewiduje się, że zakres zastosowań układów TIM w branży pojazdów elektrycznych będzie się szybko poszerzał.

Trzy główne formy TIM w akumulatorach pojazdów elektrycznych to pady szczelinowe, wypełniacze szczelin oraz kleje termoprzewodzące (TCA - Thermally Conductive Adhesive). Nie ma uniwersalnego rozwiązania, a wybór zależy od konstrukcji akumulatora. Obecnie dominują wypełniacze szczelin pozwalające na wysoką wydajność automatyzacji. Jednak w akumulatorach pojazdów elektrycznych następuje przejście z konstrukcji modułowej na rozwiązania cell-to-pack, co znacząco wpłynie na wykorzystanie TIM.

Konstrukcje modułowe wymagają osobnych warstw TIM dla obudowy każdego ogniwa, natomiast technologia cell-to-pack integruje ogniwa w jeden duży moduł, eliminując konieczność stosowania oddzielnych obudów i zmniejszając objętość warstwy TIM w pojeździe. W systemach cell-to-pack warstwa TIM znajduje się bezpośrednio między ogniwami a płytą chłodzącą, co sprawia, że jej wydajność jest bardziej krytyczna. Musi ona efektywnie przenosić ciepło, odpowiadać współczynnikowi rozszerzalności cieplnej płyty chłodzącej, być odporna na degradację chłodziwa i zapewniać silną przyczepność, by utrzymać ogniwa i płyty chłodzące razem.

W elektronice mocy pojazdów elektrycznych megatrendem jest stosowanie tranzystorów MOSFET z węglika krzemu (SiC MOSFET) zamiast tradycyjnych tranzystorów IGBT z krzemu (Si IGBT). W przeciwieństwie do tranzystorów Si IGBT o maksymalnej temperaturze złącza około 150°C, temperatury złącza tranzystorów SiC MOSFET mogą sięgać 175°C, a nawet ponad 200°C, co stwarza problemy z odprowadzaniem ciepła.

W przypadku elektroniki mocy pojazdów elektrycznych, w zależności od miejsca zastosowania, materiały TIM można podzielić na TIM1 (materiały mocujące chip do podłoża - die-attach materials) i TIM2 (materiały stosowane między płaszczyzną bazową elektroniki mocy a radiatorami). Aby ułatwić odprowadzanie ciepła, wielu producentów elektroniki mocy EV bada nowatorskie materiały, takie jak pasty spiekane Ag, jako TIM1, które mają zastąpić tradycyjne luty, z możliwością rozszerzenia o pasty spiekane Cu w celu obniżenia kosztów.

Moduły TIM w centrach danych i zaawansowanych obudowach półprzewodnikowych

W ciągu ostatnich dwóch lat znacząco wzrosła pozycja centrów danych oraz zaawansowanych obudów półprzewodników. Wraz ze wzrostem mocy obliczeniowej układów scalonych, np. GPU czy ASIC (Application-Specific Integrated Circuit), wymagania dotyczące przewodności cieplnej TIM również znacząco rosną. W centrach danych zauważalnym trendem jest przejście na chłodzenie cieczą, w szczególności na chłodzenie bezpośrednio do układu (D2C - direct-to-chip), które jest obecnie rozwijane.

W architekturze D2C, moduły TIM stają się istotnym wąskim gardłem termicznym w miarę poprawy wydajności chłodzenia cieczą. Wyzwaniem jest znalezienie materiału o bardzo wysokiej przewodności cieplnej, a jednocześnie bardzo giętkiego i miękkiego, by mógł dopasować się do topologii różnych komponentów. Większość materiałów o wysokiej przewodności jest sztywna, przez co nie dopasowuje się do kształtu i może zwiększać naprężenia. Dlatego prowadzone są badania i prace rozwojowe mające na celu rozwiązanie tego problemu. Komponenty i chłodzenie centrów danych to w latach 2024 i 2025 dynamicznie rozwijające się sektory, które według prognoz będą w ciągu najbliższych kilku lat sukcesywnie kontynuować postępy, stwarzając znaczące możliwości dla dostawców modułów TIM.

Oprócz centrów danych, kolejnym szybko rozwijającym się obszarem jest pakowanie półprzewodników. Wraz z przejściem na pakowanie zaawansowanych półprzewodników 2,5D oraz 3D, wymagania termiczne wewnątrz obudów stają się bezprecedensowo wysokie, co prowadzi do wdrażania przez czołowych graczy innowacji w zakresie opakowań TIM1 i TIM1.5, takich jak folia indowa, ciekły metal, żel wypełniony srebrem czy arkusze grafenu.

TIM w 5G, ADAS i elektronice użytkowej

Wraz z pojawianiem się na drogach pojazdów autonomicznych i robotaksówek, rośnie zapotrzebowanie na energię elektryczną dla podzespołów samochodowych, takich jak lidary, kamery, radary i sterowniki (ECU - Electronic Control Unit), co wymaga materiałów TIM o wysokiej przewodności cieplnej. Podobne trendy występują również w sieciach 5G ze względu na zwiększone rozpraszanie ciepła niezbędne do zapewnienia przepustowości i łączności na potrzeby przyszłego wzrostu ruchu.

Branża elektroniki użytkowej notuje na nasyconym rynku stabilny wzrost. IDTechEx przewiduje, że wraz z rozwojem smartfonów dostosowanych do gier nowe materiały, w tym ciekły metal, mogą być wprowadzone do niektórych urządzeń konsumenckich.

Termoprzewodzące wypełnienia

Jednym z kluczowych czynników wpływających na przewodność cieplną materiałów termoprzewodzących są wypełniacze termiczne. Rodzaje, rozmiary i dyspersja materiałów wypełniaczy termicznych wpływają na ostateczną przewodność cieplną i właściwości mechaniczne. W raporcie IDTechEx pod kątem wydajności i ceny porównano tlenek glinu, azotek boru, wodorotlenek glinu, ZnO, MgO, nanorurki węglowe oraz wypełniacze grafenowe.