열 인터페이스 재료의 열 원리 및 개선 전략

현대 전자 장치의 소형화, 고전력 밀도, 고집적화로 인해 전자 장치의 열 방출 문제는 특히 5G 분야에서 장치의 서비스 수명과 성능에 영향을 미치는 핵심 요소가 되었습니다. 따라서 이 문제를 해결하려면 더 나은 열 관리 솔루션이 필요합니다. 일반적으로 전자 장치에서 발생하는 열은 방열판 표면으로 전달되어야 하는데, 전자 장치와 방열판 사이에 TIM(Thermal Interface Materials)을 채우면 열 전달 용량을 극대화할 수 있습니다.

TIM은 주로 유기 매트릭스와 무기 필러로 구성됩니다. 따라서 TIM의 전체 열전도도는 고분자와 무기 충진재의 열전도도, 고분자와 무기 충진재의 계면 열저항, 무기 충진재의 접촉면 사이의 계면 열저항에 의해 결정됩니다. 열전도도는 주로 전자 또는/및 포논에 의해 결정되며, 칩에서 발생하는 열은 Tims를 통해 방열판으로 전달되어 방열 시스템의 순환과 전자 장치 냉각이 이루어집니다.

전자 열전도는 주로 전도성 열전도 물질에서 발생합니다. 이러한 물질이 불균형한 환경에 있을 때 전자는 높은 온도에서 낮은 온도로 확산되어 해당 전류와 열 흐름을 생성하여 전자 열 전도를 초래합니다. 매체 및 비전도성 고분자에서 열전도는 일반적으로 포논 열전도입니다. 이러한 유형의 재료의 한쪽 면이 가열되면 재료의 격자가 진동하고 해당 진동이 인접한 원자로 전달되어 재료의 열 흐름이 전달됩니다. 일반적으로 우리가 접하는 TIM은 이러한 유형입니다. TIM의 구성 요소인 무기 비금속 필러는 상대적으로 규칙적인 격자 분포를 가지며 포논은 격자 방향을 따라 전파될 수 있으며 종종 우수한 열 전도성을 나타냅니다. 폴리머의 또 다른 중요한 구성 요소는 폴리머 사슬이 서로 얽혀 있어 고속 포논을 전도하지 않는다는 것입니다. 이러한 포논은 폴리머 사슬 경계면에 고도로 분산되어 포논 흐름이 크게 감소하고 열전도도가 감소합니다. 따라서 열전도도를 향상시키기 위해서는 포논의 산란을 줄이는 것이 특히 중요합니다.

TIM을 구성하는 기존의 방법은 열전도율이 높은 무기 충진재를 사용하는 것입니다. 그러나 폴리머 폴리머의 낮은 열전도율로 인해 이러한 방식으로 구성된 TIM의 전체 열전도율은 무기 필러와의 인터페이스 열 저항으로 인해 이상적이지 않은 경우가 많습니다. 따라서 무기 충진재와 폴리머, 무기 충진재와 무기 충진재 사이의 계면 열저항을 낮추고 열전도 경로를 구축하거나 이 두 가지를 모두 고려하는 것이 TIM의 열전도도를 향상시키는 방향이 되었다.

전자제품 및 장비의 소형화, 고출력화를 위해서는 열전도성 소재의 열전도율도 지속적으로 향상되어야 합니다. 따라서 높은 열전도도, 우수한 요변성, 우수한 저장 안정성이 열전도 소재의 가장 중요한 연구개발 방향이다.