مواد الإدارة الحرارية للتغليف الإلكتروني

مقدمة

تنتج الأجهزة الإلكترونية حرارة عند استخدامها. ويقلل المزيد من الحرارة من أدائها وعمرها الافتراضي. هناك حاجة إلى الإدارة الحرارية لجعلها آمنة للاستخدام. تساعد المواد الموجودة في العبوات الإلكترونية على نقل الحرارة بعيدًا.

المبادئ الأساسية للإدارة الحرارية

تنتج الأنظمة الكهربائية حرارة بسبب فقدان الطاقة. تشكل الحرارة الإضافية ضغطًا على الدوائر الكهربائية وتقلل من الأداء. ويتمثل المفهوم العام للإدارة الحرارية في نشر الحرارة من أجل الحصول على درجة حرارة ثابتة. ويتم ذلك عادةً بالتوصيل والحمل الحراري وأحيانًا الإشعاع. يتم استخدام المواد المناسبة لنقل الحرارة من المكونات الحساسة. يختار المهندسون تلك المواد بعناية وفقًا لاحتياجات الجهاز والأحمال الحرارية المتوقعة.

المعادن: القوة العالية والتوصيل الحراري

غالباًما تكون المعادن هي المادة المفضلة للإدارة الحرارية. فهي تمتلك موصلية حرارية عالية. ويعتبر النحاس استثنائياً بين المعادن. يتميز النحاس بموصلية حرارية تبلغ حوالي 400 واط لكل متر كلفن. يليه الألومنيوم بحوالي 205 واط لكل متر كلفن. وتمتلك المعادن قوة ومتانة عالية أيضاً. وفي التغليف الإلكتروني، تعمل المشتتات الحرارية والألواح القاعدية المصنوعة من النحاس أو الألومنيوم على تبديد الحرارة بفعالية. ويتم استخدام توصيلها الفعال لتشغيل المكونات بأمان في درجات الحرارة حتى في ظل الظروف الصعبة.

السيراميك: التوصيل مع العزل

السيراميك مفيد أيضاً بمعنى أنه لا يقوم بتوصيل الحرارة فحسب، بل يعزل كهربائياً أيضاً. فنتريد الألومنيوم، على سبيل المثال، يمتلك توصيلًا حراريًا يصل إلى 170 واط تقريبًا لكل متر كلفن. وهذا السيراميك شائع في الركائز المستخدمة في إلكترونيات الطاقة. كربيد السيليكون هو أيضًا من السيراميك الذي يُستخدم عند الحاجة إلى العزل والتوصيل. تسمح خاصية السيراميك باستخدامه حيث يجب أن يحدث العزل الكهربائي والنقل المستمر للحرارة في وقت واحد. وهي منتشرة جدًا في تطبيقات الجهد العالي.

البوليمرات والمركبات الموصلة للحرارة

البوليمرات خفيفة الوزن ومرنة. وتستخدم إلى حد كبير حيثما يكون الوزن مشكلة. ونادراً ما تقوم البوليمرات النقية بتوصيل الحرارة بشكل جيد. ومع ذلك، فإن الحشو يجعلها تؤدي أداءً كبيراً. على سبيل المثال، يمكن تزويد البوليمرات الممزوجة مع نيتريد البورون أو الجرافين بموصلات حرارية تصل إلى 10 واط لكل متر كلفن. وتجد تطبيقاتها في الأجهزة المحمولة باليد حيث يشكل الوزن الزائد عيبًا. تسمح مرونتها بتشكيلها في تصميمات وأبعاد متعددة لتناسب متطلبات التبريد المختلفة.

مواد الواجهة الحرارية (TIMs)

مع موزعات الحرارة الجيدة، يمكن أن تكون نقاط التلامس بين العناصر أقل من مثالية. فالفتحات الصغيرة تعيق نقل الحرارة. تملأ مواد الواجهة الحرارية هذه الفتحات. عادةً ما تكون مواد الواجهات الحرارية في شكل معجون أو وسادة. المعاجين القائمة على السيليكون شائعة. وهي تسمح بتدفق الحرارة بكفاءة من عنصر إلى آخر. هذه الأنواع من المواد ضرورية في المعدات ذات كثافة الطاقة العالية. ويتمثل دورها في تقليل المقاومة الحرارية والحفاظ على درجات حرارة التشغيل تحت السيطرة.

تغيير الطور والمواد النانوية المتقدمة

تعتمد بعض حلول الإدارة الحرارية على خصائص تغير الطور. فهي تمتص الحرارة في حالة الانتقال من الحالة الصلبة إلى السائلة. تعمل هذه العملية على خفض ذروة درجات الحرارة في حالة دورات الطاقة العالية. يتم تطبيق المواد المتغيرة الطور في التطبيقات ذات درجات الحرارة المتغيرة. كما يجري النظر في المواد النانوية المتقدمة. فالأنابيب النانوية الكربونية والحشوات النانوية، على سبيل المثال، يمكن أن تعزز التوصيل الحراري بشكل كبير. وفي بعض المواد المركبة المتقدمة، هناك زيادة في التوصيل الحراري إلى حوالي 20 واط لكل متر كلفن. وتستخدم هذه المركبات في الحوسبة عالية الأداء وإضاءة LED، وتوفر فرصاً جديدة للتحكم في الحرارة في الأجهزة التي تتعرض لضغوطات من أجل الأداء العالي.

الخلاصة

تُعد الإدارة الحرارية للتغليف الإلكتروني أمرًا مهمًا للغاية، حيث تعمل الإدارة الحرارية على تجنب تعرض الأجهزة للضرر وزيادة عمر الأجهزة. وتتميز المعادن والسيراميك والبوليمرات بخصائص مختلفة للمساعدة في حركة الحرارة أو تبديدها. تساعد مواد الواجهة الحرارية على تحرير تدفق الحرارة بين الفراغات. توفر المواد المتغيرة الطور والمواد النانوية حلولاً جديدة لمشاكل الحرارة التي يصعب حلها.

الأسئلة المتداولة

و: ما هي المواد ذات الموصلية الحرارية العالية للغاية في الإلكترونيات

س: النحاس هو معدن عالي الجودة، ويشتهر بقدرة توصيل حراري تبلغ 400 واط لكل متر كلفن تقريبًا.

و: ما الدور الذي يلعبه السيراميك في التغليف الإلكتروني؟

س: يوفر السيراميك نقلًا فعالاً للحرارة وعزلًا كهربائيًا للتطبيقات عالية الجهد.

و: لماذا تحتاج الأجهزة إلى مواد الواجهة الحرارية؟

س: تملأ هذه المواد الفراغات الصغيرة وتقلل المقاومة بين الأجزاء لتمكين نقل الحرارة بفعالية.

مرجع:

[1] الإدارة الحرارية (الإلكترونيات). (2025، 12 مايو). في ويكيبيديا. https://en.wikipedia.org/wiki/Thermal_management_ (إلكترونيات)