Günümüz modern elektroniğinde, özellikle işlemciler, güç transistörleri ve LED'ler gibi yüksek performanslı bileşenlerde ısı yönetimi kritik bir zorluktur. Bu bileşenler çalışırken önemli miktarda ısı üretirler ve bu ısının etkin bir şekilde dağıtılamaması, cihaz performansının düşmesine, güvenilirlik sorunlarına ve hatta erken arızalara yol açabilir. İşte bu noktada termal arayüz malzemeleri (TIM) devreye girer. TIM'ler, ısı üreten bir bileşen ile ısıyı dağıtan bir soğutucu (örneğin bir soğutucu blok) arasındaki mikroskobik boşlukları doldurarak ısı transferini optimize eden malzemelerdir. Bu malzemelerin etkinliği, doğrudan kullanılan bileşenlerin ömrünü ve performansını etkiler. Son yıllarda, üstün özelliklere sahip Bor Nitrür (BN) tozları, yüksek performanslı TIM'lerin geliştirilmesinde kilit bir rol oynamaktadır.
Elektronik bileşenlerin yüzeyleri mikroskobik düzeyde pürüzlüdür. Bu pürüzlülük, bileşen yüzeyi ile soğutucu yüzeyi arasında hava boşlukları oluşmasına neden olur. Hava, düşük ısı iletkenliğine sahip bir yalıtkan olduğundan, bu boşluklar ısı transferini engeller ve termal dirence neden olur. TIM'ler, bu hava boşluklarını doldurarak ısı transferini artırmak için kullanılır.
TIM'lerden beklenen temel özellikler şunlardır:
Yüksek Termal İletkenlik: Isıyı etkin bir şekilde transfer edebilmelidir.
Düşük Termal Direnç: Isı transferine karşı gösterdiği direnç minimum olmalıdır.
İyi Yüzey Teması (Islanabilirlik): Uygulandığı yüzeylere iyi yayılmalı ve mikroskobik boşlukları tamamen doldurmalıdır.
Elektriksel Yalıtkanlık: Genellikle elektriksel iletken olmamalıdır ki elektronik bileşenlerde kısa devreye yol açmasın.
Kararlılık: Geniş bir sıcaklık aralığında fiziksel ve kimyasal özelliklerini korumalıdır.
Uzun Ömür: Zamanla bozulmamalı veya performansını kaybetmemelidir.
Geleneksel TIM'ler arasında silikon bazlı termal macunlar ve pedler bulunur. Ancak, yüksek performanslı elektroniklerin artan ısı yoğunluğu, bu geleneksel malzemelerin sınırlarını zorlamaktadır. Bu noktada, Bor Nitrür tozları gibi gelişmiş dolgu maddelerine olan ihtiyaç ortaya çıkmıştır.
Bor Nitrür (BN), farklı kristal yapılara sahip olabilen sentetik bir seramik malzemedir. Termal arayüz malzemelerinde en çok tercih edilen formu, grafite benzer bir katmanlı yapıya sahip olan hegzagonal Bor Nitrür (h-BN)'dir. h-BN tozları, TIM'ler için ideal kılan bir dizi benzersiz özelliğe sahiptir:
Yüksek Termal İletkenlik: h-BN, hem tek kristal halinde hem de toz formunda oldukça yüksek ısı iletkenliğine sahiptir. Özellikle, düzlemsel yönde (tabakalar içinde) ısıyı çok iyi iletir. Bu özelliği, TIM'lerin genel termal performansını önemli ölçüde artırır.
Mükemmel Elektriksel Yalıtkanlık: h-BN, elektriği iletmeyen bir malzemedir. Bu özellik, elektronik bileşenlerde kısa devre riskini ortadan kaldırır ve yüksek gerilimli uygulamalar için güvenli bir çözüm sunar.
Yüksek Kimyasal ve Termal Kararlılık: Geniş bir sıcaklık aralığında (yüzlerce derece Celsius'a kadar) kimyasal ve fiziksel yapısını korur. Oksidasyona ve birçok kimyasal maddeye karşı dirençlidir, bu da TIM'lerin uzun ömürlü olmasını sağlar.
Düşük Yoğunluk: Hafif bir malzeme olması, toplam cihaz ağırlığına olumlu katkıda bulunur.
Yüksek Yumuşaklık ve Kendini Yağlama Özelliği: Grafite benzer tabakalı yapısı sayesinde, h-BN tozları nispeten yumuşaktır ve kayganlık özelliği gösterir. Bu, TIM'lerin uygulama sırasında yüzeylere daha iyi yayılmasını ve mikroskobik boşluklara nüfuz etmesini kolaylaştırır. Ayrıca, mekanik stres altında çatlamayı veya yıpranmayı azaltabilir.
Düşük Dielektrik Sabiti: Yüksek frekanslı elektronik uygulamalarda sinyal bütünlüğünü korumaya yardımcı olur.
Bor nitrür tozları, farklı TIM türlerinde dolgu maddesi olarak kullanılır:
Bor Nitrür İçerikli Termal Macunlar: En yaygın kullanılan TIM türlerinden biridir. Bor nitrür tozları, genellikle silikon bazlı bir polimer matris içine dağıtılarak macun kıvamında hazırlanır. Bu macunlar, yüzeydeki boşlukları en iyi şekilde doldurarak yüksek ısı transferi sağlarlar. Bor nitrür miktarı ve partikül boyutu, macunun viskozitesini ve termal iletkenliğini doğrudan etkiler.
Bor Nitrür Takviyeli Termal Pedler: Polimer matrisine bor nitrür tozları eklenerek üretilen katı veya yarı katı pedlerdir. Bu pedler, kolay uygulanabilirlikleri ve temizlik kolaylıkları nedeniyle tercih edilir. Bor nitrür, pedin termal iletkenliğini artırırken aynı zamanda esnekliğini korumasına yardımcı olur.
Bor Nitrür İçerikli Termal Jeller: Macunlara göre daha düşük viskoziteye sahip olabilirler ve bu sayede daha az baskı kuvveti gerektirerek daha iyi yüzey ıslanabilirliği sağlarlar.
Doğrudan Bor Nitrür Bazlı Filmler/Kaplamalar: Bazı ileri uygulamalarda, ince bor nitrür filmleri doğrudan bileşen yüzeylerine veya soğutuculara uygulanabilir. Bu, çok ince termal arayüzler ve ultra düşük termal direnç sağlayabilir.
Bor nitrür tozlarıyla yüksek performanslı TIM'ler üretmek bazı zorlukları da beraberinde getirir:
Toz Morfolojisi ve Dağılımı: Tozların boyutu, şekli ve polimer matris içindeki homojen dağılımı, nihai TIM'in performansını büyük ölçüde etkiler. Aglomerasyonu (kümelenmeyi) önlemek ve iyi bir dispersiyon sağlamak için özel karıştırma teknikleri ve yüzey modifikasyonları gerekebilir.
Dolgu Oranı: Yüksek termal iletkenlik için yüksek dolgu oranı istense de, bu durum TIM'in viskozitesini artırabilir ve uygulanabilirliğini zorlaştırabilir. Optimum dolgu oranı, hem termal performans hem de uygulanabilirlik açısından dengelenmelidir.
Arayüz Direnci: Dolgu maddesi ile polimer matris arasındaki arayüzde de termal direnç oluşabilir. Bu direnci azaltmak için dolgu maddesinin yüzey kimyası üzerinde çalışılmaktadır.
Bu zorlukların üstesinden gelmek için, nano boyutlu BN tozları, farklı BN morfolojileri (örneğin, BN nanotüpler veya nanolevhalar) ve yeni polimer matris malzemeleri üzerinde araştırmalar devam etmektedir. Ayrıca, TIM'lerin uygulanabilirliklerini artırmak için otomatik dağıtım sistemleri ve iyileştirilmiş kürleme yöntemleri de geliştirilmektedir.
Bor nitrür tozlarıyla geliştirilen termal arayüz malzemeleri, geleceğin yüksek performanslı elektronik sistemleri için vazgeçilmez bir bileşen olma yolundadır. Özellikle yapay zeka çipleri, 5G iletişim sistemleri, elektrikli araçlar ve gelişmiş LED aydınlatma sistemleri gibi yüksek ısı üretimi olan uygulamalarda, BN bazlı TIM'lerin kullanımı kritik öneme sahiptir. Bu alandaki araştırmalar, daha yüksek termal iletkenliğe sahip, daha düşük termal dirence sahip ve daha uzun ömürlü TIM'lerin geliştirilmesine odaklanmaktadır. Bor nitrürün benzersiz özellikleri, elektronik soğutma teknolojilerinde yeni bir çağın kapılarını aralamaktadır.
