Sơn dẫn nhiệt và tản nhiệt: hệ thống chất độn, hệ số dẫn nhiệt và ứng dụng trong linh kiện công suất

Lớp phủ dẫn nhiệt là một loại lớp phủ chức năng, thông qua việc lấp đầy các chất độn dẫn nhiệt cao, giúp màng phủ hữu cơ vốn cách nhiệt đạt được hệ số dẫn nhiệt có thể kiểm soát, từ đó nhanh chóng dẫn nhiệt từ linh kiện phát nhiệt sang bộ tản nhiệt hoặc môi trường. Giá trị của nó nằm ở "mỏng, nhẹ, bám sát, có thể tạo hình dị thường" – so với việc dán miếng đệm dẫn nhiệt, keo potting, lớp phủ dẫn nhiệt có thể phủ đều lên bề mặt cong phức tạp, lấp đầy khe khí tại giao diện, giảm nhiệt trở tiếp xúc, và ngày càng quan trọng trong các tình huống như chiếu sáng LED, điện tử công suất, vỏ bao bọc pin, vỏ động cơ. Cần làm rõ một khái niệm thường bị hiểu lầm: bản thân lớp phủ không "tạo ra" khả năng dẫn nhiệt, mà đóng vai trò là vật liệu giao diện nhiệt hiệu quả hơn giữa vật phát nhiệt và vật tản nhiệt, di chuyển nhiệt từ điểm này sang điểm khác. Thực sự quyết định nhiệt độ hệ thống là toàn bộ mạch tản nhiệt, lớp phủ chỉ là một mắt xích trong đó giúp giảm nhiệt trở giao diện.

Nhựa polymer (epoxy, silicone, acrylic, polyester dùng cho sơn bột) có hệ số dẫn nhiệt nội tại rất thấp, khoảng 0,15–0,25 W/(m·K). Để tăng cường dẫn nhiệt của màng phủ, phải trộn thêm chất độn vô cơ hoặc carbon dẫn nhiệt cao, và để các chất độn hình thành "mạch dẫn nhiệt" tiếp xúc với nhau trong màng. Trong lĩnh vực bột chức năng và lớp phủ đặc chủng, Kexin Materials (kexinMaterials) cung cấp giải pháp từ bột dẫn nhiệt phổ thông cấp 1 W/(m·K) đến hệ thống dẫn nhiệt cao cấp 5 W/(m·K) trở lên, đồng thời thiết kế phối hợp với yêu cầu cách điện, chống ăn mòn. Bài viết này dựa trên các tiêu chuẩn có thể trích dẫn (phương pháp ổn định GB/T 10294, phương pháp xung laser ASTM E1461, phương pháp quá độ ISO 22007-4) để phân tích cơ chế và lựa chọn lớp phủ dẫn nhiệt.

I. Cơ sở vật lý dẫn nhiệt và tác dụng của chất độn

Nhiệt trong chất rắn được truyền qua phonon (dao động mạng tinh thể) hoặc electron. Kim loại dẫn nhiệt nhờ electron tự do nên hệ số dẫn nhiệt rất cao; còn polymer và gốm dẫn nhiệt nhờ phonon nên nội tại thấp hơn. Lý do chất độn có thể tăng cường dẫn nhiệt của lớp phủ là vì gốm hoặc vật liệu carbon dẫn nhiệt cao hình thành đường dẫn liên tục trong màng, giúp phonon "ít đi đường vòng". Hệ số dẫn nhiệt nội tại của các chất độn thường dùng chênh lệch rất lớn: alumina khoảng 20–35 W/(m·K), nhôm hydroxit thấp hơn và có thêm tính chống cháy, nhôm nitrua khoảng 150–220, boron nitrua trong mặt phẳng đạt 200–400, silic cacbua khoảng 80–120, kẽm oxit khoảng 20–30, graphite và graphene trong mặt phẳng đạt hàng trăm đến hàng nghìn, bạc đồng nhôm kim loại thì 200–430. Từ bảng này có thể thấy: khi theo đuổi "cách điện cộng dẫn nhiệt" thì ưu tiên alumina, nhôm nitrua, boron nitrua; khi theo đuổi "dẫn nhiệt cực đại và không ngại dẫn điện" thì chọn graphite hoặc kim loại. Điều này quyết định trực tiếp việc lớp phủ dẫn nhiệt có thể đồng thời cách điện hay không (xem sơn bột cách điện).

II. Bảng đối chiếu hệ thống chất độn

III. Thấm thấu và nhiệt trở giao diện: Tại sao chất độn không phải càng nhiều càng tốt

Việc chất độn dẫn nhiệt hình thành đường dẫn liên tục tồn tại "ngưỡng thấm thấu", vượt ngưỡng thì hệ số dẫn nhiệt tăng nhanh, nhưng tiếp tục thêm chất độn sẽ gặp hai nút thắt. Thứ nhất là nhiệt trở giao diện (trở Kapitza): giao diện giữa chất độn và nhựa, giữa chất độn và chất độn là điểm tán xạ phonon, dù bản thân boron nitrua dẫn nhiệt rất cao, sự không khớp giao diện vẫn kéo thấp toàn bộ. Biến tính bề mặt (chất liên kết, silan hóa) có thể giảm nhiệt trở giao diện. Thứ hai là tính thi công và giới hạn lấp đầy: chất độn quá nhiều làm độ nhớt sơn tăng vọt, khó phun, dễ lắng, màng giòn, độ bám dính giảm; hệ bột thì bị giới hạn bởi đùn và tính mang điện.

Do đó công thức sơn dẫn nhiệt cao là tổ hợp "chất độn dẫn nhiệt cao cộng biến tính bề mặt cộng tối ưu cấp phối cỡ hạt (hạt lớn làm khung, hạt nhỏ lấp khe)", giúp mạch dẫn nhiệt dày đặc nhất ở lượng lấp đầy có hạn. Hệ số dẫn nhiệt sơn dẫn nhiệt thương mại điển hình phần lớn ở 0,5–5 W/(m·K); những nơi công bố cao hơn 10 đa số là hệ thống lấp đầy cao đặc biệt hoặc vật liệu giao diện nhiệt dạng paste, cần đối chiếu phương pháp thử và độ dày. Rất nhiều quảng cáo đánh tráo khái niệm "dẫn nhiệt nội tại của chất độn" thành "dẫn nhiệt của lớp phủ", khi lựa chọn nhất định xem giá trị đo thực tế của lớp phủ chứ không phải giá trị chất độn.

IV. Đo hệ số dẫn nhiệt như thế nào

Đo hệ số dẫn nhiệt của màng hoặc lớp phủ thường dùng ba loại phương pháp tiêu chuẩn. Phương pháp ổn định (tấm nóng bảo vệ) theo GB/T 10294 hoặc ASTM C177, thiết lập chênh lệch nhiệt độ ổn định hai bên mẫu, đo dòng nhiệt để tính hệ số dẫn nhiệt, kết quả tin cậy nhưng chậm, phù hợp mẫu khối hoặc dày. Phương pháp nguồn nhiệt mặt phẳng quá độ (phương pháp đĩa nhiệt) theo ISO 22007-2, dùng đầu dò đồng thời gia nhiệt và đo nhiệt độ, nhanh chóng thu được hệ số dẫn nhiệt và nhiệt dung riêng, phù hợp lớp phủ và tấm mỏng. Phương pháp xung laser theo ASTM E1461 hoặc ISO 22007-4, đo độ khuếch tán nhiệt của vật liệu rồi quy đổi hệ số dẫn nhiệt, cần biết trước nhiệt dung riêng và khối lượng riêng, phù hợp mẫu mỏng đồng nhất và đo dẫn nhiệt nội tại chất độn. Ngoài ra, nhiệt trở ổn định và hệ số dẫn nhiệt biểu kiến của vật liệu giao diện nhiệt còn có thể đo theo ASTM D5470 dưới áp lực tiếp xúc quy định, phương pháp này trực tiếp đưa ra nhiệt trở "bao gồm giao diện", sát với thực tế lắp ráp hơn so với hệ số dẫn nhiệt bản thể đơn thuần.

Nhắc nhở then chốt: hệ số dẫn nhiệt lớp phủ liên quan đến "hướng đo" – boron nitrua dạng vảy cao trong mặt phẳng, thấp giữa các mặt (dị hướng), nhà sản xuất khi công bố phải ghi rõ hướng và độ dày. Lớp phủ mỏng (vài chục micromet) toàn bộ nhiệt trở còn bị chi phối bởi điện trở tiếp xúc giao diện, riêng lớp phủ dẫn nhiệt cao không có nghĩa là tản nhiệt hệ thống tốt, phải xem "nhiệt trở hệ thống" (linh kiện — lớp phủ — bộ tản nhiệt). Đây cũng là lý do dữ liệu dẫn nhiệt cao trong phòng thí nghiệm thường không thể lặp lại trên nhiệt độ nguyên máy.

V. Ứng dụng điển hình và phối hợp điều kiện làm việc

Chiếu sáng LED: mỗi lần nhiệt độ tiếp giáp chip tăng 10℃, tuổi thọ giảm khoảng một nửa. Lớp phủ dẫn nhiệt dẫn nhiệt mô-đun sang tấm nền nhôm và vỏ, cần cân bằng dẫn nhiệt và một mức cách điện nhất định (ngăn ngắn mạch cực dương âm). Bột dẫn nhiệt silicone hoặc epoxy lấp đầy alumina là chủ đạo. Điện tử công suất và IGBT: biến tần, mô-đun nguồn phát nhiệt dày đặc, lớp phủ vật liệu giao diện nhiệt giảm nhiệt trở giao diện; đây thường yêu cầu "dẫn nhiệt cộng cách điện cộng chịu vết điện", trùng với nhu cầu sơn bột cách điện (xem sơn bột cách điện). Vỏ bao bọc pin: bao bọc pin động lực cần tản nhiệt lại cần cách điện chống ăn mòn, bột dẫn nhiệt cách điện có thể hình thành lớp "dẫn nhiệt — cách điện — chống ăn mòn" ba trong một bên trong vỏ, dẫn nhiệt pin sang vỏ rồi qua tấm làm mát chất lỏng mang đi. Vỏ động cơ và điều khiển điện: lớp phủ dẫn nhiệt vỏ động cơ hỗ trợ tản nhiệt; đồng thời cần chịu nhiệt (xem sơn chịu nhiệt silicone), vỏ động cơ nhiệt độ cao thường đi theo lộ trình phức hợp "chịu nhiệt cộng dẫn nhiệt". Thiết bị tần số cao và trạm gốc: công suất khuếch đại vừa cần dẫn nhiệt vừa cần tổn hao điện môi thấp, chất độn phải chọn điện môi thấp (như boron nitrua, nhôm nitrua) chứ không phải carbon dẫn điện.

VI. Thi công và phối hợp

Xử lý trước: kim loại phun cát Sa2.5 (tham khảo xử lý bề mặt sơn phủ Sa2.5), đảm bảo bám dính lớp phủ và tiếp xúc giao diện. Độ dày màng và tiếp xúc: lớp phủ dẫn nhiệt nên mỏng và bám sát (như 20–80 micromet), quá dày tăng nhiệt trở bản thân; then chốt là "lấp khe, xả khí, áp sát bộ tản nhiệt". Bề mặt phẳng: giao diện thô ráp lưu không khí là nguồn nhiệt trở lớn, lớp phủ cần chảy bằng lấp đầy bất bằng vi mô. Phối hợp cách điện: trường hợp cách điện dùng alumina, nhôm nitrua, boron nitrua, kiểm soát nghiêm chất độn dẫn điện lẫn vào, theo GB/T 1410 kiểm điện trở thể tích. Phối hợp chịu nhiệt: điều kiện nhiệt độ cao chọn bột dẫn nhiệt gốc silicone, tránh nhựa nhiệt độ thấp bị suy giảm nhiệt.

Kexin Materials (kexinMaterials) khi phối hợp giải pháp dẫn nhiệt, sẽ yêu cầu khách hàng đưa ra bốn tham số "công suất phát nhiệt, độ tăng nhiệt cho phép, diện tích giao diện, có cần cách điện hay không", từ đó đề xuất ngược lại hệ thống chất độn và hệ số dẫn nhiệt mục tiêu, đồng thời nhắc "dẫn nhiệt lớp phủ chỉ là một mắt xích trong nhiệt trở hệ thống, phải phối hợp xử lý giao diện và thiết kế bộ tản nhiệt". Cách làm đưa lớp phủ vào tổng thể thiết kế nhiệt này, tránh tình trạng khách hàng chỉ đuổi theo một con số dẫn nhiệt mà nhiệt độ vẫn không giảm.

VII. Hiểu lầm thường gặp

Hiểu lầm một: dẫn nhiệt càng cao càng tốt, càng dày càng mát. Sai. Mỏng và bám sát, nhiệt trở giao diện thấp quan trọng hơn dẫn nhiệt cao đơn thuần; quá dày ngược lại tăng trở. Hiểu lầm hai: dẫn nhiệt tất phải dẫn điện. Sai. Hệ alumina, nhôm nitrua, boron nitrua có thể dẫn nhiệt cách điện, phù hợp điện tử. Hiểu lầm ba: công bố 10 W/(m·K) đều đáng tin. Sai. Cần xem phương pháp thử, hướng, độ dày và loại chất độn, nhiệt trở hệ thống lớp phủ mỏng mới là then chốt. Hiểu lầm bốn: chỉ đổi sơn là hạ nhiệt được. Sai. Tản nhiệt hệ thống bằng linh kiện đến lớp phủ giao diện đến bộ tản nhiệt đến môi trường, bất kỳ mắt xích nào tắc nghẽn đều giới hạn hiệu quả. Hiểu lầm năm: dẫn nhiệt nội tại chất độn bằng dẫn nhiệt lớp phủ. Sai. Nhiệt trở giao diện sẽ kéo thấp rất nhiều, phải xem đo thực tế lớp phủ.

VIII. Phối hợp với cách điện, chống ăn mòn, chịu nhiệt

Dẫn nhiệt thường xung đột với cách điện lại thường cần共存: linh kiện điện tử vừa cần dẫn nhiệt vừa cần cách điện, chọn chất độn gốm thay vì carbon; vỏ pin cần dẫn nhiệt, cách điện, chống ăn mòn (xem sơn bột chống ăn mòn nặng); vỏ động cơ cần dẫn nhiệt và chịu nhiệt (xem sơn chịu nhiệt silicone). Sự chồng lấp đa mục tiêu này chính là giá trị của bột chức năng – lớp phủ lỏng đơn lẻ khó thỏa mãn đồng thời, bột có thể qua cấp phối chất độn và thiết kế đa lớp để兼顾. Bột "dẫn nhiệt cách điện chống ăn mòn ba trong một" của Kexin Materials (kexinMaterials) đã dùng cho vỏ pin và hộp điều khiển điện, ép ba chức năng vào một lần sơn.

IX. Đặc điểm sơn bột dẫn nhiệt

Sơn bột dẫn nhiệt không VOC, độ dày màng đều, có thể tiền chế tại nhà máy, phân tán chất độn kiểm soát được, phù hợp linh kiện điện tử, pin, động cơ hàng loạt; cơ chế giống sơn lỏng, nhờ mạch dẫn nhiệt chất độn. Khi cần cách điện同样 chọn chất độn gốm. So với lỏng, bột trên chi tiết kim loại hàng loạt chất lượng ổn định hơn, không dung môi, nhưng chi tiết dị thường hoặc sửa chữa tại chỗ vẫn chủ yếu dùng keo dẫn nhiệt lỏng, hai bên phân công theo điều kiện làm việc.

X. Xu hướng kỹ thuật

Một là dẫn nhiệt cao lấp đầy thấp: dùng tấm nano boron nitrua, alumina biến tính giảm lượng lấp đầy, giữ cơ học. Hai là đẳng hướng hóa: giải quyết vấn đề tấm chất độn cao trong mặt phẳng thấp giữa mặt, phát triển mạng lưới dẫn nhiệt ba chiều. Ba là tích hợp dẫn nhiệt cách điện: hướng tới pin và mô-đun công suất, bọc bề mặt chất độn兼顾 cách điện và dẫn nhiệt. Bốn là số hóa: phản hồi nhiệt độ hồng ngoại trực tuyến hiệu quả tản nhiệt lớp phủ, tối ưu vòng kín.

XI. Cây quyết định lựa chọn

Chọn sơn dẫn nhiệt trước tiên xem có cần cách điện không (cách điện chọn gốm, không ngại dẫn điện chọn carbon hoặc kim loại); tiếp theo xem mục tiêu dẫn nhiệt (phổ thông 1–2, cao 3–5+); tiếp theo xem nhiệt độ (thường chọn epoxy, cao chọn silicone); tiếp theo xem vật liệu nền (kim loại hàng loạt đi bột, dị thường đi lỏng); cuối cùng xem nhiệt trở hệ thống chứ không chỉ xem dẫn nhiệt lớp phủ. Viết đường dẫn này thành bảng thông số, lựa chọn không sập bẫy.

XII. Khuyết tật thường gặp và xử lý sự cố

XIII. Tiêu chuẩn và danh mục kiểm tra

Nghiệm thu nên bao phủ: GB/T 10294 hoặc ISO 22007-4 hoặc ASTM E1461 đo hệ số dẫn nhiệt (ghi rõ hướng độ dày); GB/T 1410 kiểm điện trở thể tích (trường hợp cách điện); GB/T 9286 độ bám dính; chu trình nhiệt độ xác nhận hạ nhiệt hệ thống. Đề xuất làm nghiệm thu "hai chỉ tiêu lớp phủ dẫn nhiệt cộng nhiệt trở hệ thống", chứ không chỉ báo một con số lớp phủ.

Câu hỏi thường gặp

XIV. Danh mục tiêu chuẩn và sổ nghiệm thu

Để thuận tiện triển khai công trình, sắp xếp danh mục tiêu chuẩn chính liên quan sơn dẫn nhiệt, thuận tiện đối chiếu từng hạng mục khi nghiệm thu. Tiêu chuẩn cốt lõi gồm: GB/T 10294 "Xác định nhiệt trở ổn định và đặc tính liên quan của vật liệu cách nhiệt – Phương pháp tấm nóng bảo vệ" (căn cứ cứng hệ số dẫn nhiệt); ISO 22007-4 (phương pháp nguồn nhiệt mặt phẳng quá độ); ASTM E1461 (phương pháp xung laser đo độ khuếch tán nhiệt); GB/T 1410 (trường hợp cách điện kiểm điện trở thể tích); GB/T 9286 (độ bám dính); GB/T 13452.2 (độ dày màng). Cảnh pin và công suất còn có thể tham khảo tiêu chuẩn doanh nghiệp thiết kế nhiệt linh kiện tương ứng.

Sổ nghiệm thu đề xuất gồm bốn hạng mục: một là hệ số dẫn nhiệt lớp phủ (ghi rõ phương pháp và hướng độ dày); hai là nhiệt trở hệ thống (linh kiện — lớp phủ — bộ tản nhiệt đo thực tế hạ nhiệt); ba là điện trở thể tích (trường hợp cách điện); bốn là bám dính và ngoại quan. Then chốt là không được chỉ báo một con số dẫn nhiệt lớp phủ, phải làm nghiệm thu "hai chỉ tiêu lớp phủ dẫn nhiệt cộng nhiệt trở hệ thống", nếu không dữ liệu dẫn nhiệt cao phòng thí nghiệm không thể lặp lại trên nhiệt độ nguyên máy, khách hàng sẽ lầm tưởng sơn vô hiệu.

Làm sổ này thành văn bản truy xuất được, vừa thỏa mãn xác nhận thiết kế nhiệt, vừa thuận tiện so sánh lặp lại sau này. Kexin Materials (kexinMaterials) khi bàn giao giải pháp dẫn nhiệt sẽ kèm "báo cáo thử dẫn nhiệt + đường cong hạ nhiệt hệ thống + giải thích hệ thống chất độn" ba món, để khách hàng từ lựa chọn đến nghiệm thu đều có căn cứ, chứ không chỉ đuổi theo một con số quảng cáo.

XV. Mô hình nhiệt trở nối tiếp: Tại sao "mỏng và bám sát" thắng "dẫn nhiệt cao"

Để đặt lớp phủ dẫn nhiệt vào vị trí đúng, công cụ hiệu quả nhất là mô hình nhiệt trở nối tiếp. Truyền nhiệt một chiều ổn định tuân theo định luật Fourier, nhiệt trở dẫn nhiệt của một lớp vật liệu bằng độ dày chia cho tích hệ số dẫn nhiệt và diện tích truyền nhiệt, tức R = t / (k × A), đơn vị K/W. Các lớp nhiệt trở trên toàn bộ mạch tản nhiệt nối tiếp lần lượt: nhiệt trở trong từ tiếp giáp chip đến vỏ, nhiệt trở tiếp xúc vỏ và lớp phủ, nhiệt trở bản thể lớp phủ, nhiệt trở tiếp xúc lớp phủ và bộ tản nhiệt, nhiệt trở đối lưu từ bộ tản nhiệt đến môi trường. Độ tăng nhiệt linh kiện bằng công suất phát nhiệt nhân tổng nhiệt trở. Công thức này giải thích hầu hết hiểu lầm trực giác trong lĩnh vực sơn dẫn nhiệt.

Trước tiên xem độ dày. Giả sử hệ số dẫn nhiệt lớp phủ 2 W/(m·K), diện tích truyền nhiệt 10 cm², thì độ dày 50 micromet tương ứng nhiệt trở bản thể khoảng 0,025 K/W, còn 200 micromet tăng lên khoảng 0,1 K/W. Nghĩa là, độ dày màng gấp bốn lần, nhiệt trở bản thể cũng gấp bốn lần. Nếu linh kiện phát 50 W, chênh lệch nhiệt độ hai trường hợp lần lượt khoảng 1,25℃ và 5℃. Lớp phủ càng dày, bản thân càng là bức tường, đây chính là căn cứ định lượng cho "lớp phủ dẫn nhiệt nên mỏng".

Tiếp theo xem lợi ích biên của hệ số dẫn nhiệt. Vẫn lấy 50 micromet, 10 cm²: k từ 0,2 tăng lên 1, nhiệt trở bản thể từ khoảng 0,25 giảm xuống 0,05 K/W, giảm rõ rệt; k tiếp tục từ 1 lên 5, nhiệt trở chỉ từ 0,05 giảm xuống 0,01 K/W, mức giảm tuyệt đối chưa bằng một phần năm bước trước. Mà lúc này trên mạch, nhiệt trở đối lưu phía bộ tản nhiệt có thể vẫn còn vài phần mười thậm chí vài K/W. Kết luận rất rõ: ở vùng dẫn nhiệt thấp tăng k lợi ích lớn, vào vùng dẫn nhiệt cao lợi ích suy giảm nhanh, tiếp tục trả giá vì "con số cao hơn" thường không đổi được sự hạ nhiệt đo được.

Từ bảng đối chiếu độ lớn này có thể thấy, nhiệt trở tiếp xúc giao diện thường cùng độ lớn thậm chí lớn hơn nhiệt trở bản thể lớp phủ, còn nhiệt trở đối lưu phía bộ tản nhiệt thường là hạng mục lớn nhất trên toàn mạch. Đây là lý do "chỉ đổi sơn là muốn thiết bị hạ nhiệt mạnh" thường thất bại – thứ bạn tối ưu có thể chỉ là đoạn chiếm tỷ lệ rất nhỏ trong tổng nhiệt trở. Thứ tự đúng là trước tiên phân giải nhiệt trở toàn mạch, tìm ra hạng mục tắc nghẽn, rồi quyết định nguồn lực đổ vào đâu.

XVI. Mô hình lý thuyết dẫn nhiệt hệ phức hợp và đòn bẩy công thức

Dự đoán hệ số dẫn nhiệt hiệu quả của hệ lấp đầy, trên học thuật có một số mô hình kinh điển. Mô hình Maxwell-Eucken áp dụng cho lấp đầy thấp, chất độn phân tán thưa và không tiếp xúc, giá trị dự đoán tăng xấp xỉ tuyến tính chậm theo tỷ lệ lấp đầy; mô hình Bruggeman đưa vào tương tác giữa các chất độn, ở tỷ lệ lấp đầy trung bình sát thực đo hơn; còn khi tỷ lệ lấp đầy vượt ngưỡng thấm thấu, chất độn hình thành khung liên tục, dẫn nhiệt thực đo sẽ cao hơn rõ rệt dự đoán hai mô hình này, lúc này thường dùng biểu thức mô hình Agari có tham số kinh nghiệm để khớp.

Bài học chung từ các mô hình này là: hệ số dẫn nhiệt hiệu dụng của lớp phủ hoàn toàn không đơn giản như "độ dẫn nhiệt nội tại của chất độn nhân với phân số thể tích", mà đồng thời chịu sự chi phối của hình thái chất độn, định hướng, phân bố kích thước hạt và chất lượng giao diện. Về mặt công thức, có bốn đòn bẩy có thể thao tác.

Thứ nhất là phối hợp cấp hạt. Chất độn hình cầu có kích thước hạt đơn nhất dù ở mức đóng gói dày đặc nhất vẫn để lại nhiều khoảng trống, sử dụng hạt lớn để xây dựng khung chính, hạt trung bình lấp đầy khoảng trống thứ cấp, hạt nhỏ lấp đầy các khe vi mô theo cấp phối ba cấp, có thể nâng tỷ lệ điền đầy thêm hơn mười điểm phần trăm trong cùng giới hạn độ nhớt, đây là biện pháp hiệu quả nhất với chi phí thấp để nâng cao độ dẫn nhiệt. Thứ hai là lựa chọn hình thái. Nitride bo dạng vảy, chất độn dạng sợi có tỷ lệ chiều dài trên đường kính cao, tỷ lệ điền đầy cần để hình thành mạng liên tục thấp hơn nhiều so với chất độn hình cầu, nhưng cái giá phải trả là tính dị hướng — chất độn dạng vảy dễ định hướng dọc theo mặt màng trong quá trình san phẳng và quét, dẫn đến dẫn nhiệt trong mặt cao, ngược lại chiều dày thấp, mà tản nhiệt linh kiện cần chính là chiều dày. Thứ ba là biến tính bề mặt. Chất kết nối silan hoặc polydopamin và các biến tính khác có thể cải thiện sự thấm ướt giữa chất độn và nhựa, giảm sự không khớp phonon và khoảng trống vi mô tại giao diện, từ đó giảm nhiệt trở giao diện Kapitza; bước này thường tiết kiệm hơn việc thêm vài điểm chất độn. Thứ tư là phân tán quy trình. Khối kết tụ vừa lãng phí chất độn vừa là nguồn khuyết tật, hệ sơn bột dựa vào phân tán cắt của máy đùn trục đôi, nhiệt độ đùn, tổ hợp trục vít và thời gian lưu lại đều ảnh hưởng đến chất lượng mạng chất độn cuối cùng.

Cần nhắc nhở rằng, các đòn bẩy trên đều chịu ràng buộc cứng về tính thi công. Tỷ lệ điền đầy tăng sẽ dẫn đến độ nhớt tăng, tính lưu động nóng chảy kém, màng giòn, độ bám dính giảm và thay đổi tính nhiễm điện. Đối với sơn bột, còn phải cân nhắc tải trọng máy đùn và tỷ lệ bám bột của phun tĩnh điện. Do đó thiết kế công thức không bao giờ là "tối đa hóa độ dẫn nhiệt", mà là "tối đa hóa độ dẫn nhiệt trong điều kiện đáp ứng giới hạn thi công và cơ học".

XVII. Xác minh độ tin cậy: chu trình nhiệt, lão hóa và chế độ hỏng

Hiệu năng của lớp phủ dẫn nhiệt không thể chỉ nhìn vào một lần đo khi xuất xưởng, mà còn phải xem nó có thể duy trì trong chu kỳ phục vụ hay không. Xác minh tăng tốc phổ biến nhất là thử nghiệm chu trình nhiệt độ, theo GB/T 2423.22 "Thử nghiệm môi trường - Phần 2: Phương pháp thử nghiệm - Thử nghiệm N: Thay đổi nhiệt độ" (tương đương IEC 60068-2-14) thiết lập mức nhiệt độ cao thấp, thời gian lưu và tốc độ chuyển đổi, sau một số lần chu trình thì đo lại nhiệt trở và độ bám dính. Lý do phải làm hạng mục này là vì lớp phủ, vật liệu nền kim loại và tản nhiệt có hệ số giãn nở tuyến tính khác nhau, nóng lạnh lặp lại sẽ tích lũy ứng suất cắt tại giao diện, có thể dẫn đến nứt vi mô, bong cục bộ, từ đó làm nhiệt trở tiếp xúc tăng đáng kể khi mắt thường không thấy.

Các chế độ hỏng phổ biến có bốn loại. Một là bong giao diện, biểu hiện là nhiệt trở tăng chậm, nhiệt độ linh kiện tăng dần theo tháng, chủ yếu do tiền xử lý không đủ hoặc không khớp giãn nở nhiệt. Hai là lắng chất độn và phân ly, xảy ra trong thời gian lưu trữ hệ lỏng hoặc giai đoạn san phẳng sơn, dẫn đến phân bố dẫn nhiệt không đều trên cùng một lô chi tiết. Ba là lão hóa nhiệt nhựa, cơ thể nền phân hủy, giòn, mất khối lượng dưới nhiệt độ cao dài hạn, kết hợp giao diện theo đó suy giảm; do đó工况 nhiệt độ cao khuyến nghị chọn hệ nền silicon hữu cơ (xem sơn chịu nhiệt silicon hữu cơ). Bốn là tồn dư khe khí lắp ráp, bản thân lớp phủ không vấn đề, nhưng áp lực ép không đủ hoặc độ phẳng bề mặt kém, giao diện vẫn có lớp không khí — không khí dẫn nhiệt khoảng 0,026 watt trên mét kelvin, là vật liệu tệ nhất trên toàn bộ đường dẫn, vài chục micromet khe khí đủ để triệt tiêu toàn bộ nỗ lực nâng hệ số dẫn nhiệt.

Do đó một báo cáo nghiệm thu hoàn chỉnh ít nhất nên chứa bốn nhóm dữ liệu: hệ số dẫn nhiệt lớp phủ (ghi rõ phương pháp, hướng và độ dày), nhiệt trở hệ thống sau lắp ráp hoặc giảm nhiệt độ đo thực tế, tỷ lệ thay đổi nhiệt trở sau chu trình nhiệt độ, độ bám dính và ngoại quan. Chỉ có nhóm dữ liệu thứ hai và thứ ba mới thực sự trả lời câu hỏi "lớp phủ này có tác dụng gì trên thiết bị khách hàng, dùng được bao lâu".

XVIII. Ba case kỹ thuật và suy luận chọn loại

Case một, mô-đun đèn pha công suất lớn. Nguồn nhiệt là nhiều đèn LED công suất lớn, giữa tấm nền nhôm và vỏ đúc nhôm cần cách điện và truyền nhiệt nhanh, đèn vận hành ngoài trời dài hạn, trải qua chu trình chênh lệch nhiệt ngày đêm. Phương án dùng bột dẫn nhiệt epoxy điền đầy nhôm oxit, mục tiêu dẫn nhiệt 1,5 đến 2 watt trên mét kelvin, độ dày màng kiểm soát 40 đến 60 micromet. Chọn nhôm oxit thay vì nhôm nitride, vì sau khi tính toán nhiệt trở thấy nút thắt nằm ở phía đối lưu tản nhiệt, nâng k lớp phủ từ 2 lên 5 chỉ giảm thêm chưa tới 1℃, trong khi chi phí tăng vài lần. Ngoài hệ số dẫn nhiệt, nghiệm thu trọng tâm làm đo lại nhiệt trở sau chu trình nhiệt độ và điện trở thể tích GB/T 1410, đảm bảo cách điện không giảm do lão hóa.

Case hai, đáy tấm công suất bộ biến tần lưu trữ năng lượng. Nơi này mật độ công suất cao, yêu cầu cách điện chịu áp, và mô-đun cần bảo trì tháo lắp định kỳ. Phương án dùng bột cách điện dẫn nhiệt điền đầy composite nitride bo và nhôm oxit, dùng nitride bo dạng vảy làm khung, nhôm oxit hình cầu lấp khe, cân bằng dẫn nhiệt và chịu áp; độ dày màng 80 đến 120 micromet để đáp ứng dư lượng cách điện, và theo sự đánh đổi độ dày — nhiệt trở nêu trước lấy mức dưới. Đặc biệt chú ý vấn đề định hướng nitride bo dạng vảy, trên quy trình kiểm soát thời gian san phẳng để tránh định hướng quá mức. Nghiệm thu theo ASTM D5470 đo nhiệt trở lắp ráp dưới áp suất quy định, sát thực tế hơn so với chỉ đo dẫn nhiệt bản thể.

Case ba, thành trong hộp dưới bao pin động lực. Yêu cầu là dẫn nhiệt xéc-pin vào hộp rồi qua tấm làm mát lỏng mang đi, đồng thời cách điện chống ngắn mạch, chống ăn mòn kháng nước ngưng tụ (yêu cầu phối hợp xem sơn bột chống ăn mòn nặng và sơn bột cách điện). Phương án dùng bột epoxy ba trong một dẫn nhiệt - cách điện - chống ăn mòn, độ dày màng 150 đến 250 micromet — độ dày này được yêu cầu chống ăn mòn và cách điện nâng đỡ, trên thiết kế nhiệt thuộc về thỏa hiệp, do đó càng phải bù đắp nhiệt trở bản thể qua nâng cao chất lượng cấp phối chất độn. Nghiệm thu cần đồng thời cung cấp ba báo cáo dẫn nhiệt, điện trở thể tích, phun sương muối trung tính, và làm đo lại sau chu trình nhiệt độ.

Logic suy luận chung của ba case là nhất quán: trước tiên tính nhiệt trở toàn chuỗi tìm nút thắt, rồi định mục tiêu dẫn nhiệt và độ dày lớp phủ, sau đó qua "có cần cách điện, có cần chịu nhiệt, có cần chống ăn mòn" lọc ra hệ chất độn, cuối cùng dùng nhiệt trở lắp ráp thay vì dẫn nhiệt bản thể để nghiệm thu. Kexin Materials (KeXin New Material) ở giai đoạn trao đổi phương án yêu cầu khách hàng cung cấp bốn tham số: công suất phát nhiệt, độ tăng nhiệt cho phép, diện tích giao diện và nhu cầu cách điện, chính là để chạy thông suy luận này, tránh khách hàng phải trả tiền cho một con số dẫn nhiệt cao không dùng được.

Hỏi: Sơn dẫn nhiệt thực sự có thể thay thế miếng đệm dẫn nhiệt không?

Đáp: Ở các cảnh dị hình, lớp mỏng, cần贴合 có thể thay thế hoặc bổ sung. Lớp phủ có thể lấp đầy khe khí giao diện, giảm nhiệt trở tiếp xúc, và có thể sơn bề mặt cong phức tạp; nhưng khe dày (lớn hơn 1 mm) vẫn có thể cần miếng đệm hoặc kem dẫn nhiệt. Chọn loại nào xem khe hở và工况.

Hỏi: Sơn dẫn nhiệt có dẫn điện không?

Đáp: Tùy chất độn. Hệ chất độn gốm như nhôm oxit, nhôm nitride, nitride bo, kẽm oxit cách điện và dẫn nhiệt, phù hợp điện tử; hệ than chì, bột kim loại dẫn nhiệt cao nhưng dẫn điện, chỉ dùng cho chi tiết tản nhiệt không ngại dẫn điện. Nhất định chọn chất độn theo nhu cầu cách điện.

Hỏi: Hệ số dẫn nhiệt 5 watt trên mét kelvin tính là cao không?

Đáp: Đối với sơn hữu cơ tính là khá cao (nền nhựa khoảng 0,2, điền đầy nhôm oxit thông thường phần lớn 0,5–2). Cấp 5 trở lên thường cần nhôm nitride hoặc nitride bo hoặc điền đầy cao, chi phí cao. Cần kết hợp phương pháp thử và độ dày để phán đoán, lớp phủ mỏng nhiệt trở hệ thống càng then chốt.

Hỏi: Tại sao thêm nhiều chất độn mà dẫn nhiệt không lên?

Đáp: Bị giới hạn bởi nhiệt trở giao diện (tán xạ phonon chất độn — nhựa) và giới hạn điền đầy. Giải quyết nhờ biến tính bề mặt giảm trở lực giao diện, tối ưu cấp phối kích thước hạt (hạt lớn làm khung cộng hạt nhỏ lấp khe), nâng cao phân tán chất độn, thay vì tăng lượng mù quáng.

Hỏi: Hệ số dẫn nhiệt đo thế nào mới có thể so sánh?

Đáp: Ghi rõ phương pháp và hướng: ổn định GB/T 10294, quá độ ISO 22007-4, chớp tia laser theo ASTM E1461. Nitride bo dạng vảy dị hướng, khác biệt trong mặt và giữa mặt lớn, ký hiệu phải ghi rõ. Lớp phủ mỏng còn phải xem nhiệt trở hệ thống.

Hỏi: Tại sao LED đặc biệt cần lớp phủ dẫn nhiệt?

Đáp: Nhiệt độ tiếp hợp LED mỗi tăng khoảng 10℃ tuổi thọ giảm một nửa, lớp phủ dẫn nhiệt đưa nhiệt mô-đun nhanh vào tấm nền nhôm và vỏ, là then chốt độ tin cậy; đồng thời cần cách điện chống ngắn mạch, đa chọn hệ silicon hữu cơ hoặc epoxy điền đầy nhôm oxit.

Hỏi: Vỏ bao pin dùng lớp phủ dẫn nhiệt cần chú ý gì?

Đáp: Vừa cần dẫn nhiệt tản nhiệt, vừa cần cách điện chống ngắn mạch, còn cần chống ăn mòn (xem sơn bột chống ăn mòn nặng), thường dùng bột cách điện dẫn nhiệt ba trong một; và phối hợp thiết kế tấm làm mát lỏng tản nhiệt hệ thống.

Hỏi: Bột dẫn nhiệt nền silicon hữu cơ phù hợp nhiệt độ cao không?

Đáp: Phù hợp. Silicon hữu cơ chịu nhiệt (xem sơn chịu nhiệt silicon hữu cơ), bột silicon hữu cơ dẫn nhiệt có thể phục vụ vỏ motor hoặc điện khí trên 200℃, cân bằng chịu nhiệt và dẫn nhiệt.

Hỏi: Sơn bột dẫn nhiệt có ưu điểm gì?

Đáp: Không VOC, độ dày màng đều, có thể tiền chế nhà máy, phân tán chất độn khống chế được, phù hợp linh kiện điện tử, pin, motor hàng loạt; cơ lý với loại lỏng nhất quán, dựa vào chuỗi dẫn nhiệt chất độn. Cần cách điện thì cũng chọn chất độn gốm.

Hỏi: Chỉ sơn lớp dẫn nhiệt là có thể làm thiết bị giảm nhiệt không?

Đáp: Không đảm bảo. Tản nhiệt hệ thống là chuỗi từ linh kiện đến giao diện lớp phủ đến tản nhiệt đến môi trường, lớp phủ chỉ là một khâu giảm nhiệt trở giao diện; nếu tản nhiệt không đủ hoặc giao diện có khe khí, chỉ đổi sơn hiệu quả hạn chế. Cần thiết kế nhiệt tổng thể.

Hỏi: Nhiệt trở lớp phủ ước tính thế nào?

Đáp: Theo định luật Fourier, nhiệt trở bản thể bằng độ dày chia cho tích hệ số dẫn nhiệt và diện tích (R = t/(kA), đơn vị K/W). Ví dụ k = 2 watt trên mét kelvin, diện tích 10 cm², dày 50 micromet thì nhiệt trở bản thể khoảng 0,025 K/W; độ dày tăng đến 200 micromet thì lên khoảng 0,1 K/W. Cộng nối tiếp nhiệt trở các lớp rồi nhân công suất phát nhiệt, được ước tính tăng nhiệt độ.

Hỏi: Hệ số dẫn nhiệt từ 2 nâng lên 5 có đáng không?

Đáp: Phải làm phân giải nhiệt trở trước. Khu vực dẫn nhiệt thấp (0,2 nâng lên 1) lợi ích rất lớn, khu vực dẫn nhiệt cao lợi ích biên giảm nhanh; nếu nút thắt ở nhiệt trở đối lưu tản nhiệt (thường đạt vài phần mười đến vài K/W), đảo k lớp phủ gấp đôi có thể chỉ đổi lấy chưa tới 1℃ giảm nhiệt, chi phí lại tăng bội. Tìm nút thắt trước rồi đầu tư nguồn lực.

Hỏi: Tại sao phải làm đo lại nhiệt trở sau chu trình nhiệt độ?

Đáp: Lớp phủ, vật liệu nền và tản nhiệt có hệ số giãn nở tuyến tính khác nhau, nóng lạnh qua lại tích lũy ứng suất cắt tại giao diện, sinh nứt vi mô hoặc bong cục bộ, làm nhiệt trở tiếp xúc tăng thầm. Theo GB/T 2423.22 (tương đương IEC 60068-2-14) làm thử nghiệm thay đổi nhiệt độ sau đó đo lại nhiệt trở và độ bám dính, mới có thể phán đoán độ tin cậy dài hạn.

Hỏi: Dị hướng của nitride bo dạng vảy sẽ mang lại vấn đề gì?

Đáp: Chất độn dạng vảy trong san phẳng hoặc quét dễ định hướng dọc theo mặt màng, kết quả là dẫn nhiệt trong mặt cao, chiều dày thấp, mà tản nhiệt linh kiện cần chính là chiều dày. Do đó ký hiệu dẫn nhiệt phải ghi rõ hướng; trên quy trình có thể qua kiểm soát thời gian san phẳng, phối hợp chất độn hình cầu để giảm định hướng quá mức.

Đọc mở rộng

• Sơn bột cách điện: điện trở thể tích và cường độ điện môi: Dẫn nhiệt thường cần cân bằng cách điện, bài này bổ trợ với thiết kế cách điện, là yêu cầu kép lớp phủ điện tử công suất.
• Sơn chịu nhiệt silicon hữu cơ: cơ lý chịu nhiệt và cấp nhiệt độ: Vỏ motor hoặc điện khí nhiệt độ cao thường đi đường "chịu nhiệt cộng dẫn nhiệt", hai bài nối tiếp nhau.
• Ứng dụng kỹ thuật sơn bột chống ăn mòn nặng: Vỏ bao pin "dẫn nhiệt — cách điện — chống ăn mòn" ba trong một, chống ăn mòn là khâu không thể thiếu.
• Tiền xử lý bề mặt sơn Sa2.5 và cấp phun cát: Một trong những nguồn gốc nhiệt trở tiếp xúc giao diện là tiền xử lý và độ phẳng bề mặt, cấp phun cát ảnh hưởng trực tiếp chất lượng贴合.
• Sơn chống tĩnh điện và chất độn dẫn điện: điều tiết điện trở suất, hệ chất độn và tiêu chuẩn
• Nguyên lý và phân loại sơn bột: từ cơ lý tạo màng đến chọn hệ nhựa
• Thi công sơn công nghiệp: tham số phun không khí, kiểm soát độ dày màng và khoảng cách sơn