CHƯƠNG 1. Tổng quan về quản lí nhiệt. Quản lí nhiệt của thiết bị điện tử là điều cần thiết để ngành công nghiệp điện tử phát triển nhanh chóng. Với việc các thiết bị điện tử đang được phát triển theo hướng giảm dần kích thước và tăng tốc độ hoặc tần số cũng như đa chức năng hơn, làm cho việc phát triển vật liệu dẫn nhiệt ứng dụng trong quản lí nhiệt trong thiết bị điện tử ngày càng quan trọng.
Bên cạnh đó cũng đòi hỏi phải cung cấp một năng lượng làm mát thiết bị giúp cho hệ thống vận hành hiệu quả hơn. Một hệ làm mát mà vừa phải quản lí nhiệt tốt nhưng đồng thời không ảnh hưởng đến hiệu suất làm việc của máy móc thiết bị. Điều này gây ra sự khó khăn nhất định vì sự thu nhỏ của thiết bị liên quan trực tiếp đến sự tăng lên mật độ mạch, dẫn đến việc sản sinh ra lượng nhiệt đáng kể. Nếu lượng nhiệt này không được tiêu thụ thì tuổi thọ của thiết bị sẽ giảm.
Những giải pháp đưa ra nhằm khắc phục vấn đề này thì rất nhiều, và một trong số đó chính là vấn đề vật liệu lắp ráp cụ thể là vật liệu tản nhiệt (TIM_Thermal Interfaces Materials)[2-5]. TIM giúp tản nhiệt ra khỏi các mạch tích hợp (IC_Integrated Circuits) bằng cách giảm thiểu nhiệt trở bề mặt giữa các thành phần trong thiết bị điện tử. Nhiệt trở bề mặt là do khe hở không khí giữa hai bề mặt không hoàn hảo về mặt hình học (Hình 1. TIM loại bỏ các khoảng trống không khí giữa các bộ phận bằng cách thay thế những khoảng trống đó bằng vật liệu dẫn nhiệt cao hơn.
Trong đóng gói các thiết bị điện tử truyền thống, TIM được sử dụng ở hai bên của bộ tản nhiệt tích hợp (IHS_Integrated Heat Spreader) (Hình 1. Công việc chính của IHS là tản nhiệt do bộ xử lí trung tâm (CPU_Central Processing Unit) tạo ra, do đó nó không tạo ra các điểm nóng. Việc giảm nhiệt trở giữa các thành phần giúp loại bỏ nhiều nhiệt hơn khỏi CPU. (a) Hình minh họa thể hiện các khe hở không khí cản trở sự dẫn nhiệt tốt qua các bề mặt cơ học như thế nào; (b) Sơ đồ minh hoạ vị trí TIM được đặt ở mỗi bên của bộ tản nhiệt tích hợp (IHS) trong mạch tích hợp thông thường.
Độ dẫn nhiệt Độ dẫn nhiệt k (W.K-1) là một thông số vật lí của vật liệu, nó đặc trưng cho khả năng truyền nhiệt qua vật liệu và được xác định thông qua biểu thức: 𝜑 = −𝑘𝛻𝑇 (1. • 𝛻𝑇 là gradient nhiệt độ (là hàm của nhiệt độ tương ứng với vị trí và thời gian trong mẫu). • 𝑘 là hằng số dương đối với một vật liệu cụ thể. 𝜑 được mô tả bởi định luật Fourier về dẫn nhiệt như sau: 𝑑𝛷 (1.s ) là tốc độ dòng nhiệt (hay lượng nhiệt được truyền qua -1 vật liệu trong một đơn vị thời gian): 𝑑𝑄 (1.5) 𝑑𝑄 = 𝑆𝑑𝑡 𝑑𝑥 Nhiệt dung C (J·K−1) của vật liệu là lượng nhiệt cần cung cấp cho vật để tạo ra một đơn vị thay đổi nhiệt độ của vật đó: 𝑑𝑄 (1.6) 𝐶= 𝑑𝑇 Nói cách khác, mỗi vật liệu cần một lượng nhiệt để tăng nhiệt độ của nó thêm 1ᵒC.
Nhiệt dung là thuộc tính của vật liệu, tỉ lệ thuận với lượng vật chất. Nhiệt dung riêng là nhiệt dung trên một đơn vị khối lượng. Trong quá trình biến đổi mà áp suất của hệ được giữ không đổi thì nhiệt dung riêng của hệ được gọi là nhiệt dung riêng đẳng áp Cp (J·kg−1·K−1): 𝐶 (1.8) = 𝑚𝐶𝑃 𝑑𝑇 Kết hợp các phương trình (1. 𝑑𝑥 𝑑𝑉 Trong các công thức (1.12), α (m2·s-1) và ρ (kg·m-3) lần lượt được gọi là hệ số khuếch tán nhiệt và khối lượng riêng của vật liệu.12), độ dẫn nhiệt được biểu diễn như sau: 𝑘 = 𝛼.13) Như vậy, hệ số dẫn nhiệt k là một đại lượng đặc trưng cho khả năng dẫn nhiệt của vật liệu.
Từ góc độ toán học, độ dẫn nhiệt là khả năng vật liệu truyền nhiệt năng Q qua bề dày x và diện tích bề mặt A của vật liệu trong một khoảng thời gian t nhất định khi có sự chênh lệch nhiệt độ ΔT giữa hai mặt đối diện của nó. Hệ số khuếch tán nhiệt α là sự mở rộng khuếch tán nhiệt từ phía này sang phía đối diện trong vật liệu. α được thể hiện bởi các tham số độ dài khuếch tán nhiệt Lc và thời gian khuếch tán τc như sau: 𝐿𝐶 = √𝛼.14) Tuy nhiên, α trong phương trình (1.14) chỉ phản ánh tốc độ khuếch tán nhiệt nhanh như thế nào và không xét đến lượng nhiệt năng trong quá trình khuếch tán nhiệt. Đây là một tính năng trạng thái tạm thời và thường được đo bằng kĩ thuật Laser Flash.
Cơ chế dẫn nhiệt 1. Cơ chế dẫn nhiệt trong polime khối Độ dẫn nhiệt của vật liệu được chứng minh là có thể biểu thị thông qua cộng hưởng truyền electron và phonon. Các electron chiếm ưu thế trong sự dẫn nhiệt của kim loại, trong khi đó sự truyền phonon đại diện cho sự dẫn nhiệt trong vật liệu tổng 7 hợp polime [11-13]. Nói cách khác, sự dẫn nhiệt trong polime có thể được cho là do sự truyền phonon (Hình 1.
Cần lưu ý rằng sự tán xạ phonon (tại các bề mặt tiếp xúc của phonon và phonon/điểm khuyết) có thể xảy ra trong quá trình di chuyển của phonon, dẫn đến việc tạo ra nhiệt trở bề mặt. Vật liệu polime có độ kết tinh thấp hơn nhiều so với vật liệu vô cơ. Sự kết hợp giữa vùng tinh thể bên trong với vùng vô định hình tạo ra nhiều bề mặt tiếp xúc bên trong không liên tục và các khiếm khuyết mạng, dẫn đến sự gia tăng tán xạ phonon và làm giảm hiệu suất truyền phonon. Kết quả là vật liệu polime có độ dẫn nhiệt thấp hơn vật liệu vô cơ.
Sự vận chuyển phonon Sự tán xạ phonon Hình 1. Cơ chế dẫn nhiệt trong polime vô định hình [3]. Cơ chế dẫn nhiệt trong hạt tinh thể Có sự khác biệt về cơ chế dẫn nhiệt giữa các hạt tinh thể và polime vô định hình. Các phonon không thể đi theo đường sóng thẳng trong vật liệu polime do sự sắp xếp các nguyên tử không đều, gây ra các dao động và chuyển động quay hỗn loạn.
So với vật liệu polime, các vật liệu tinh thể (ví dụ như graphene) cho thấy tính dẫn nhiệt cao hơn đáng kể [15,16]. Chuyển động của phonon trong các hạt tinh thể lí tưởng có thể được hiểu như sau: Nhiệt năng từ bề mặt nóng truyền tới các nguyên tử ở rìa vật liệu làm cho chúng bắt đầu dao động với tần số ν = ε/h, trong đó ε là nhiệt năng và h là hằng số Planck. Năng lượng được truyền đến các nguyên tử gần đó để khiến chúng dao động ở cùng tần số với các nguyên tử rìa. Năng lượng nhiệt được truyền đến cạnh đối diện của vật liệu với cùng mức độ dao động.
Sau đó năng lượng bị tiêu tán ra môi trường do bức xạ và dẫn nhiệt.3 minh họa cơ chế dẫn nhiệt trong hạt tinh thể. Cơ chế dẫn nhiệt trong cấu trúc tinh thể lí tưởng [1]. Cơ chế dẫn nhiệt trong polime tổng hợp Để cải thiện tính dẫn nhiệt của vật liệu hữu cơ vô định hình, cách hiệu quả nhất là thêm chất độn dẫn nhiệt cao vào chất nền cách điện. Việc đo độ dẫn nhiệt của vật liệu tổng hợp gồm chất độn/polime là một phép đo phức tạp vì quá trình này bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố bao gồm tính dẫn nhiệt nội tại của chất độn, cấu trúc mạng, sự phân tán của chất độn và nhiệt trở bề mặt.
Chất độn đóng một vai trò quan trọng trong việc cải thiện các thông số xử lí trong hệ polime dẫn nhiệt vì nó chi phối tính dẫn nhiệt của vật liệu tổng hợp polime.4(a) cho thấy trong hệ polime có mạng lưới chất độn liên tục, dòng nhiệt có thể được truyền dọc theo mạng/cấu trúc ở mức tán xạ phonon thấp. Trong khi đó, mạng lưới chất độn không liên tục sẽ gây ra một lượng lớn tán xạ phonon ở bề mặt phân cách giữa chất độn và cấu trúc polime do sự chênh lệch giữa các nguyên tử khác nhau (Hình 1. Theo đó, việc tối ưu hóa cấu trúc/sự phân tán của chất độn có thể cải thiện tính dẫn nhiệt của vật liệu tổng hợp polime bằng cách tạo ra màng dẫn nhiệt của chất độn trên nền polime. Sự vận chuyển phonon Sự vận chuyển phonon Lấp đầy Lấp đầy Sự tán xạ phonon Sự tán xạ phonon Mối hàn Mối hàn Hình 1.
Điện trở nhiệt bề mặt 1. Điện trở nhiệt bề mặt của vật liệu hai chiều (2D) liền kề Nhiệt trở bề mặt có thể có tác động tiêu cực đến tính dẫn nhiệt của vật liệu tổng hợp nano. Để hiểu được quá trình truyền nhiệt qua cấu trúc của vật liệu tổng hợp polime dựa trên vật liệu 2D, cần nghiên cứu kĩ lưỡng quá trình truyền nhiệt ở cấp độ nano. Mô phỏng động lực học phân tử được dùng để nghiên cứu đặc tính truyền nhiệt trong vật liệu 2D, ví dụ như nhiệt trở bề mặt.
Trong khi đó, độ dẫn nhiệt của vật liệu 2D và điện trở biên nhiệt tại bề mặt của vật liệu 2D liền kề được thể hiện bằng cách sử dụng kĩ thuật động lực học phân tử không cân bằng (NEMD_Non-Equilibrium Molecular Dynamics) và thuật toán Müller-Plathe [16].5 minh hoạ luồng nhiệt được truyền thông qua một tấm vật liệu 2D. Tấm vật liệu 2D được mô hình hóa thành các tấm cụ thể với các vùng nóng và vùng lạnh. Vùng nóng nằm ở giữa tấm, trong khi vùng lạnh nằm ở hai đầu của tấm. Thông lượng nhiệt đã biết được truyền qua tấm có chiều dài hữu hạn.
Nhiệt truyền từ vùng nóng sang vùng lạnh để cân bằng chênh lệch nhiệt độ. Gradient nhiệt độ có thể được xác định giữa vùng nóng và vùng lạnh và tổng năng lượng trong quá trình truyền nhiệt có thể được chuyển đổi và tính toán. Khi hệ đạt đến trạng thái ổn định cuối cùng, độ dẫn nhiệt có thể được tính theo tỉ lệ của thông lượng nhiệt và gradient nhiệt độ. Sơ đồ dòng nhiệt qua một tấm vật liệu 2D riêng lẻ.
Giả định vùng màu đỏ là vùng nhiệt độ cao hơn vùng xanh lam và do đó có sự truyền nhiệt từ vùng đỏ sang vùng xanh. Mũi tên chỉ hướng truyền nhiệt giữa vùng nóng và vùng lạnh [17]. 10 Cấu hình cân bằng nhiệt thu được cho cấu trúc ba tấm (Hình 1. Sự gián đoạn về nhiệt độ xảy ra ở mặt phân cách giữa hai tấm vật liệu 2D liền kề thể hiện ở sự hiện diện của nhiệt trở biên và cũng có sự chênh lệch đáng kể về nhiệt độ.