เหตุใดโพลีไดเมทิลซิโลออกเซน (PDMS) จึงถูกใช้อย่างแพร่หลายในสารนำความร้อนแบบเทอร์มอลเกรสและสูตรซิลิโคน

การเพิ่มขึ้นอย่างฉับพลันของอุณหภูมิที่จุดต่อ (Junction Temperature) ถึง 15°C – เมื่อวัสดุระหว่างความร้อนล้มเหลวจนส่งผลให้การเปิดตัวผลิตภัณฑ์ต้องเลื่อนออกไป

ผู้ผลิตอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กำลังเตรียมเปิดตัวอินเวอร์เตอร์ใหม่กำลัง 800 วัตต์สำหรับสถานีชาร์จยานยนต์ไฟฟ้า แต่ในระหว่างการทดสอบความน่าเชื่อถือขั้นสุดท้าย วัสดุระหว่างความร้อน (TIM) ซึ่งเป็นไขมันชนิดเอสเทอร์ประสิทธิภาพสูงเริ่มไหลออก (pumping out) หลังจากผ่านรอบการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิเพียง 300 รอบ อุณหภูมิที่จุดต่อเพิ่มขึ้น 15°C ส่งผลให้ระบบลดกำลังงานลงเนื่องจากความร้อน (thermal derating) และไม่ผ่านข้อกำหนดการรับรองที่ต้องผ่านการทดสอบ 1,000 รอบ ทำให้การเปิดตัวผลิตภัณฑ์ต้องเลื่อนออกไปเป็นเวลา 4 เดือน ในขณะที่วิศวกรเร่งดำเนินการทดสอบและรับรองวัสดุทางเลือกใหม่ สาเหตุหลักคือ ไขมันชนิดเอสเทอร์เกิดการแข็งตัวจากปฏิกิริยาความร้อนและออกซิเดชัน (thermo-oxidative hardening) จึงสูญเสียความสามารถในการปรับตัวให้สอดคล้องกับความแตกต่างของสัมประสิทธิ์การขยายตัวตามอุณหภูมิ (coefficient of thermal expansion) ระหว่างวัสดุกับพื้นผิวที่สัมผัส ไขมันราคาต่ำที่ผู้จัดจำหน่ายจัดหาให้ช่วยประหยัดต้นทุนได้ 0.50 ดอลลาร์สหรัฐฯ ต่อหน่วย แต่ความล่าช้านี้กลับสร้างค่าใช้จ่ายเกิน 250,000 ดอลลาร์สหรัฐฯ

สถานการณ์นี้พบได้บ่อยกว่าที่วิศวกรด้านการออกแบบระบบระบายความร้อนหลายคนยอมรับ ตลอดช่วงเจ็ดปีที่ผ่านมา ทีมวิศวกรรมวัสดุของเราได้ทำการสอบสวนกรณีที่วัสดุระหว่างผิวสัมผัสเพื่อถ่ายเทความร้อน (TIM) ล้มเหลวมากกว่า 100 กรณี ซึ่งเกิดขึ้นในแอปพลิเคชันต่าง ๆ ได้แก่ ยานยนต์ อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กำลังไฟฟ้า และระบบให้แสงสว่างแบบ LED ผลการวิจัยที่สอดคล้องกันคือ วัสดุ TIM ที่ใช้สารไฮโดรคาร์บอนเป็นส่วนประกอบหลักมักให้ประสิทธิภาพต่ำกว่าวัสดุ PDMS อย่างต่อเนื่องในสภาพแวดล้อมที่มีการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิอย่างรุนแรงซ้ำ ๆ การเข้าใจเสถียรภาพทางความร้อนและความต้านทานต่อปฏิกิริยาออกซิเดชันของ PDMS จึงไม่ใช่เพียงเรื่องของเคมีเท่านั้น แต่ยังเกี่ยวข้องโดยตรงกับการออกแบบเพื่อความน่าเชื่อถือตลอดอายุการใช้งานของผลิตภัณฑ์ทั้งหมด

พลวัตของการสลายตัวของ PDMS – เหตุใดโครงสร้างหลักซิโลเซนจึงต้านทานการเสื่อมสภาพจากความร้อนได้ดีเยี่ยม

เสถียรภาพทางความร้อนที่โดดเด่นของ PDMS เกิดจากโครงสร้างหลักซิโลเซน (Si–O) ซึ่งมีพลังงานพันธะประมาณ 445 กิโลจูลต่อโมล — สูงกว่าพลังงานพันธะคาร์บอน–คาร์บอนในพอลิเมอร์อินทรีย์ที่มีค่าประมาณ 350 กิโลจูลต่อโมลอย่างมีนัยสำคัญ ความแข็งแรงของพันธะนี้จึงยับยั้งการแยกตัวของสายโซ่พอลิเมอร์ (chain scission) และปฏิกิริยาการคลายตัวแบบเปิดซิป (unzipping reactions) ซึ่งเป็นสาเหตุหลักของการเสื่อมสภาพของพอลิเมอร์ทั่วไป

ที่อุณหภูมิสูงกว่า 200°C วัสดุที่มีพื้นฐานจากไฮโดรคาร์บอนจะเกิดการเสื่อมสภาพแบบความร้อน-ออกซิเดชันอย่างรวดเร็วผ่านกลไกของอนุมูลอิสระ ส่งผลให้วัสดุเปราะและสูญเสียสมบัติทางกายภาพ ในทางตรงข้าม การออกซิเดชันของ PDMS เป็นกระบวนการที่จำกัดตนเอง: หมู่เมทิลที่ยึดอยู่กับสายโซ่หลักจะถูกแทนที่ด้วยหมู่ไฮดรอกซิลแบบเลือกสรร ทำให้เกิดชั้นผิวที่มีลักษณะคล้ายซิลิกาซึ่งทำหน้าที่ป้องกันและลดการแพร่ผ่านของออกซิเจนเข้าสู่เนื้อวัสดุต่อไป แทนที่จะเกิดการสลายตัวของพอลิเมอร์อย่างรุนแรง PDMS จะเสื่อมสภาพผ่านกลไกเชิงควบคุมแบบปฏิกิริยาลำดับที่หนึ่ง ซึ่งการสูญเสียน้ำหนักสามารถวัดได้ชัดเจนก็ต่อเมื่อสัมผัสกับอุณหภูมิสูงกว่า 300°C เป็นเวลานาน ลักษณะการเสื่อมสภาพเช่นนี้ช่วยรักษาความแข็งแรงเชิงกลและความต่อเนื่องของการสัมผัสระหว่างพื้นผิวไว้ได้แม้ในช่วงเวลาสั้นๆ ที่อุณหภูมิสูงซึ่งพบได้บ่อยในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กำลังสูง

ประสิทธิภาพภายใต้การเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิแบบไซคลิก – เปรียบเทียบ PDMS กับสารอินทรีย์อื่นๆ

ภายใต้แรงโหลดความร้อนแบบเป็นรอบ PDMS มีประสิทธิภาพเหนือกว่าสารถ่ายโอนความร้อน (TIM) ที่ผลิตจากไฮโดรคาร์บอนสังเคราะห์และพอลิเอสเตอร์ ทางเลือกอินทรีย์เหล่านี้จะเกิดการแข็งตัวของสายโพลิเมอร์และการเชื่อมข้ามอย่างค่อยเป็นค่อยไปเมื่อผ่านการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิซ้ำๆ ระหว่าง –40°C ถึง 175°C ซึ่งเกิดจากการเสื่อมสลายของสารต้านออกซิเดชันภายใต้ปฏิกิริยาความร้อน-ออกซิเดชัน และการเกิดสารคาร์บอนิลที่มีขั้ว หลังจากผ่านการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิครบ 500 รอบ ความหนืดเชิงซ้อนของวัสดุเหล่านี้อาจเพิ่มขึ้นสิบเท่า ส่งผลให้เกิดรอยแตกร้าวที่ผิวสัมผัส เนื่องจากวัสดุสูญเสียความสามารถในการปรับตัวตามการโก่งตัวของพื้นผิว

พอลิไดเมทิลซิโลกซาน (PDMS) ซึ่งมีอุณหภูมิการเปลี่ยนผ่านจากของแข็งเป็นยาง (glass transition temperature) อยู่ที่ประมาณ –127°C ยังคงมีสมบัติแบบวิสโคอีลาสติก (viscoelastic) ตลอดช่วงอุณหภูมิการใช้งานทั้งหมด โดยรักษาระดับความหนืดและอัตราการคลายแรงเครียด (stress relaxation) ให้คงที่เกือบทั้งหมด ผลการศึกษาความน่าเชื่อถือในปี ค.ศ. 2023 พบว่า วัสดุกรอกช่องว่าง (gap filler) ที่ใช้ PDMS เป็นส่วนประกอบหลักยังคงรักษาความหนาของแนวรอยต่อ (bond-line thickness) ได้มากกว่า 95% ของค่าเริ่มต้น หลังผ่านการทดสอบการกระแทกทางความร้อน (thermal shock cycles) จำนวน 1,000 รอบ (ในช่วงอุณหภูมิ –55°C ถึง 200°C) ในขณะที่สารแข่งขันประเภทเอสเทอร์อินทรีย์ที่มีหมู่กรดขั้นสูงแสดงอาการไหลออก (pump-out) มากกว่า 35% และเกิดการแข็งตัว ความทนทานนี้เกิดจากโครงสร้างหลักของไซโลเซน (siloxane backbone) ที่ยืดหยุ่นและไม่มีตำแหน่งไม่อิ่มตัว (unsaturated sites) ซึ่งช่วยขจัดปัญหาการแข็งตัวจากการออกซิเดชัน (oxidative hardening) และการเปลี่ยนแปลงค่าโมดูลัส (modulus drift) ที่ส่งผลเสียต่อความเสถียรของการถ่ายเทความร้อนในระยะยาว

สมรรถนะที่ผิวสัมผัส – พลังงานผิวต่ำส่งผลให้สามารถกระจายตัว (wetting) ได้เหนือกว่า

พลังงานผิวต่ำของ PDMS (ประมาณ 20 มิลลินิวตัน/เมตร) ทำให้สามารถกระจายตัวอย่างกว้างขวางบนพื้นผิวที่มีพลังงานสูง จนได้มุมสัมผัสแบบสถิตย์น้อยกว่า 15 องศาบนทองแดง อลูมิเนียม และอะลูมินา การเปียกชื้นนี้เกิดจากสมดุลพลังงานที่บริเวณผิวสัมผัสที่เอื้ออำนวย และความยืดหยุ่นของโครงสร้างโมเลกุล โดยโครงสร้างซิโลเซนสามารถปรับตัวเข้ากับความหยาบของพื้นผิวในระดับจุลภาคได้โดยไม่กักอากาศไว้

แม้แต่การเตรียมพื้นผิวก่อนใช้งานเพียงเล็กน้อย เช่น การทำความสะอาดด้วยพลาสมา หรือการเคลือบไพร์เมอร์ด้วยไซเลน ก็สามารถลดมุมสัมผัสลงให้น้อยกว่า 5 องศาได้ ตามที่ยืนยันด้วยการวัดมุมสัมผัสด้วยเครื่องวัดมุมสัมผัส (goniometry) การสัมผัสอย่างแนบสนิทนี้จะกำจัดช่องว่างอากาศที่มีผลต้านการถ่ายเทความร้อนออกไป ในแอปพลิเคชันที่ต้องการประสิทธิภาพการประมวลผลสูง ฟิล์มอากาศหนาเพียง 1 ไมโครเมตรอาจทำให้อุณหภูมิบริเวณข้อต่อเพิ่มขึ้นหลายองศา เหตุผลนี้จึงทำให้ความสามารถของ PDMS ในการเปียกชื้นอย่างสม่ำเสมอภายใต้มุมสัมผัสต่ำกว่า 15 องศาบนพื้นผิวที่มีองค์ประกอบทางเคมีหลากหลาย กลายเป็นข้อได้เปรียบด้านประสิทธิภาพที่สำคัญยิ่งในระบบจัดการความร้อนที่มีข้อกำหนดสูง

การปรับค่าความหนืดได้ – ความยืดหยุ่นในการสูตรผสมสำหรับผลิตภัณฑ์ประเภทจาระบี เจล และพาสต์

PDMS มีช่วงความหนืดที่กว้างและต่อเนื่องอย่างเป็นเอกลักษณ์ ตั้งแต่ของเหลวที่มีความหนืด 100 cSt ไปจนถึงเจลที่มีความหนืด 10⁶ cSt ซึ่งทำให้สามารถออกแบบโครงสร้างผลิตภัณฑ์ให้เหมาะสมกับวัสดุถ่ายเทความร้อน (TIM) ทั้งแบบจาระบี พาสต์ และเจลได้

เกรดที่มีความหนืดต่ำ (100–10³ เซนติสโตคส์) ไหลแบบเกือบเป็นนิวโทเนียน ทำให้สามารถแทรกซึมเข้าไปในพื้นผิวขรุขระได้อย่างรวดเร็วด้วยแรงดึงดูดจากหลอดเลือดฝอย เกรดที่มีความหนืดปานกลาง (10³–10⁴ เซนติสโตคส์) มีคุณสมบัติไทรโคโทรปิกที่ควบคุมได้ดี เหมาะสำหรับสารพาสต์ที่ใช้พิมพ์ได้ — สามารถจ่ายออกได้ง่ายแต่ไม่ไหลยุบตัว ในขณะที่ความหนืดสูงกว่า 10⁵ เซนติสโตคส์ โพลีไดเมทิลซิโลซาน (PDMS) จะก่อตัวเป็นเจลที่มีความเหนียวแน่นและไม่ไหลยุบตัว ซึ่งต้านทานการถูกดันออกภายใต้แรงเฉือนเชิงกล ความสามารถในการปรับแต่งคุณสมบัตินี้เกิดจากการควบคุมอย่างแม่นยำต่อการกระจายมวลโมเลกุล ความหนาแน่นของการพันกันของสายโซ่โมเลกุล และความเข้มข้นของหมู่ไซลานอลที่ปลายโซ่ระหว่างกระบวนการสังเคราะห์ ที่สำคัญคือ พลังงานผิวต่ำยังคงสม่ำเสมอทั่วทั้งช่วงความหนืด จึงรับประกันการเปียกผิวอย่างสม่ำเสมอไม่ว่าจะมีโครงสร้างใด

ความเข้ากันได้กับสารเติมแต่ง – การกระจายตัวที่เสถียรเพื่อความน่าเชื่อถือในระยะยาว

เคมีโครงสร้างหลักของ PDMS ช่วยให้การกระจายตัวของสารเติมแต่งเซรามิกที่มีปริมาณสูง เช่น อลูมิเนียมออกไซด์และโบรอนไนไตรด์ มีความแข็งแรงและเสถียร กลุ่มซิลานอลที่ปลายสายโซ่ (–Si–OH) สร้างพันธะไฮโดรเจนกับหมู่ไฮดรอกซิลบนผิวของอนุภาคสารเติมแต่ง ทำให้เกิดชั้นโมโนเลเยอร์ที่ช่วยยึดเกาะและป้องกันการรวมตัวกันเป็นก้อนและการตกตะกอน ผลของการยึดเกาะนี้ช่วยเพิ่มความเสถียรของสารแขวนลอยในจาระบีที่มีความหนืดต่ำอย่างเด่นชัด

หลังจากผ่านวงจรความร้อน 1,000 รอบ (ที่อุณหภูมิ –40°C ถึง 125°C) สารแขวนลอยที่ใช้ PDMS เป็นฐานแสดงการเพิ่มขึ้นของความหนืดน้อยกว่า 5% ในขณะที่ตัวพาที่ไม่ผ่านการดัดแปลงจะสูญเสียความสามารถในการสูบจ่ายและทำให้เกิดการแยกตัวของสารเติมแต่ง ความทนทานในการกระจายตัวนี้โดยตรงส่งเสริมความน่าเชื่อถือในระยะยาวสำหรับโมดูลพลังงานรถยนต์และชุดประกอบ LED ที่มีความสว่างสูง

การประกันคุณภาพ – มาตรฐานสำหรับวัสดุนำความร้อนแบบ TIM ที่ใช้ PDMS เป็นฐาน

ความร่วมมือด้านวิศวกรรม – สิ่งที่ G‑Honor Games นำมาเสนอ

การบรรลุประสิทธิภาพของสารติดต่อความร้อน PDMS ที่เชื่อถือได้และยาวนานนั้นต้องอาศัยมากกว่าการเลือกวัสดุจากแผ่นข้อมูลจำเพาะ—แต่ต้องการพันธมิตรด้านการผลิตที่เข้าใจเคมีของซิลิโคน การกระจายตัวของสารเติมแต่ง และวิศวกรรมการประยุกต์ใช้งาน G‑Honor Games นำแนวทางแบบบูรณาการนี้มาใช้กับการผลิตวัสดุถ่ายเทความร้อน (TIM) ที่ใช้โพลีไดเมทิลซิโลซาน (PDMS) เป็นพื้นฐาน สารสูตรของเราครอบคลุมช่วงความหนืดทั้งหมด ตั้งแต่ของเหลวที่มีความหนืด 100 cSt ไปจนถึงเจลที่มีความหนืด 10⁶ cSt โดยใช้เคมีที่มีหมู่ไซลานอล ซึ่งช่วยให้การกระจายตัวของสารเติมเต็มเซรามิกมีเสถียรภาพ ทั้งนี้ เรายังสามารถจัดทำสูตรเฉพาะตามความต้องการของลูกค้า เช่น โปรไฟล์การเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิแบบเป็นวงจร องค์ประกอบทางเคมีของพื้นผิวที่ใช้ยึดติด และวิธีการจ่ายวัสดุที่เหมาะสม นอกจากนี้ โปรแกรมประกันคุณภาพของเราประกอบด้วยการตรวจสอบความหนืด การทดสอบค่าความต้านทานความร้อนตามมาตรฐาน ASTM D5470 และการตรวจสอบความทนทานต่อการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิอย่างรวดเร็วตามมาตรฐาน JIS C 0022 สำหรับวิศวกรออกแบบระบบระบายความร้อน ผู้จัดการด้านคุณภาพ และทีมจัดซื้อ สิ่งเหล่านี้หมายถึงประสิทธิภาพของวัสดุที่สม่ำเสมอ ความน่าเชื่อถือที่คาดการณ์ได้ และพันธมิตรที่ไว้ใจได้ซึ่งส่งมอบผลิตภัณฑ์ที่ตรงตามข้อกำหนดทุกครั้งที่จัดส่ง

คำถามที่พบบ่อย

คำถาม: ทำไม PDMS จึงมีความเสถียรทางความร้อนมากกว่าวัสดุถ่ายเทความร้อน (TIM) ที่ใช้ไฮโดรคาร์บอนเป็นพื้นฐาน
A: PDMS มีโครงสร้างหลักเป็นซิโลเซนที่มีพลังงานพันธะสูงกว่า (~445 กิโลจูล/โมล เทียบกับ ~350 กิโลจูล/โมล) กลไกการออกซิเดชันแบบจำกัดตนเอง และไม่มีตำแหน่งที่ไม่อิ่มตัว จึงต้านทานการแยกสายโซ่และการแข็งตัวจากปฏิกิริยาออกซิเดชันได้จนถึงอุณหภูมิ 200°C และสูงกว่านั้น

Q: PDMS มีสมรรถนะอย่างไรภายใต้สภาวะการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิแบบไซคลิก เมื่อเทียบกับวัสดุถ่ายเทความร้อนชนิดอื่นๆ
A: PDMS รักษาความสามารถในการยึดเกาะของแนวเชื่อมไว้ได้มากกว่า 95% หลังผ่านการทดสอบการช็อกจากความร้อน 1,000 รอบ ในขณะที่สารทดแทนที่ใช้เอสเทอร์แสดงอาการไหลออก (pump-out) มากกว่า 35% และเกิดการแข็งตัว ส่งผลให้เกิดรอยแตกร้าวที่บริเวณพื้นผิวสัมผัสและค่าความต้านทานความร้อนเปลี่ยนแปลงไป

Q: ทำไมพลังงานผิวต่ำของ PDMS จึงเป็นข้อได้เปรียบ
A: PDMS สามารถทำมุมสัมผัสได้ต่ำกว่า 15° บนพื้นผิวทองแดง อลูมิเนียม และอะลูมินา จึงกำจัดช่องว่างอากาศที่เป็นฉนวนความร้อนออกได้อย่างสมบูรณ์ และเพิ่มประสิทธิภาพการถ่ายเทความร้อน

Q: ความหนืดของ PDMS ปรับแต่งได้อย่างไรเพื่อให้เหมาะสมกับการใช้งานแต่ละประเภท
A: PDMS มีช่วงความหนืดต่อเนื่องตั้งแต่ของเหลวที่มีความหนืด 100 cSt ไปจนถึงเจลที่มีความหนืด 10⁶ cSt ซึ่งทำให้สามารถออกแบบให้อยู่ในรูปแบบของจาระบี แปสเตอร์ และเจล เพื่อให้สอดคล้องกับวิธีการจ่ายวัสดุเฉพาะและข้อกำหนดด้านการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิแบบไซคลิก

คำถาม: มาตรฐานใดที่ใช้กับวัสดุถ่ายโอนความร้อน (TIM) ที่ใช้ PDMS เป็นฐาน
คำตอบ: มาตรฐานหลัก ได้แก่ ASTM D5470 (ความต้านทานการถ่ายเทความร้อน), JIS C 0022 (การกระแทกจากความร้อน), ASTM D445 (ความหนืด), และ IPC TM‑650 (การทดสอบวัสดุอิเล็กทรอนิกส์)

คำถาม: ทำไม PDMS ที่มีหมู่ไซลาโนลจึงเหมาะกว่าสำหรับการกระจายตัวของสารเติมแต่งเซรามิก
คำตอบ: หมู่ไซลาโนลที่ปลายโซ่สามารถสร้างพันธะไฮโดรเจนกับหมู่ไฮดรอกซิลบนผิวของสารเติมแต่ง ทำให้เกิดชั้นโมโนเลเยอร์ที่ช่วยคงเสถียรภาพ ซึ่งยับยั้งการรวมตัวเป็นก้อนและการตกตะกอน จึงรับประกันประสิทธิภาพการถ่ายเทความร้อนที่สม่ำเสมอตลอดอายุการใช้งานของผลิตภัณฑ์