Elektronik Uygulamalar için Yüksek Isı İletken Kaplamaların Üretimi ve Karakterizasyonu

Abstract

Bu çalışmada, elektronik uygulamalar için yeni nesil termal arayüz malzemelerin üretimi amaçlanmıştır. Alüminyum nitrür (AlN) ve karbon nanotüp (CNT) takviyeli kompozit kaplamalar, mikrometre ölçekli kaplamaların oluşmasını sağlayan, aynı zamanda düşük maliyetli ve pratik olan elektrosprey biriktirme (ESD) tekniği kullanılarak üretilmiştir. Alternatif olarak daldırma kaplama, damla döküm ve elektro ergitme teknikleri ile kompozit kaplamalar da üretilmiş ve farklı yöntemlerle üretilen kaplamaların performansları karşılaştırılmıştır. Kompozit kaplamaların morfolojisi ve termal davranışı üzerine üretim tekniğinin, işleme parametrelerinin ve başlangıç bileşiminin etkileri araştırılmış ve tartışılmıştır. Sonuçlar, tüm kaplama türleri arasında ESD tekniği ile üretilenlerin en iyi performansı gösterdiğini ortaya koymaktadır. Mikroyapısal incelemeler, ESD tekniği kullanılarak homojen ve oldukça yoğun kaplamaların oluşturulduğunu göstermiştir. Biriktirme süresinin 15 dakikadan 30 dakikaya çıkarılması, yüzey pürüzlülüğünü azaltmış ve kompozit kaplamaların kalınlığını arttırmıştır. Kızılötesi termografi görüntüleri, kompozit kaplamaların alüminyum altlıklar üzerine uygulanması ile termal yayılımın önemli ölçüde iyileştirdiğini ortaya koymuştur. 15 dakikalık (38.767 mm2/sn) ve 30 dakikalık (37.485 mm2/sn) kaplanmış numunelerin termal yayılımı, kaplanmamış alt tabakadan (26.638 mm2/sn) yaklaşık %30 daha yüksek olduğu görülmüştür. Elektro ergitme tekniği, polimer matrisinde takviye partiküllerinin homojen dağılımına izin vererek, yüksek termal yayılımlı fiber keçelerin üretimini mümkün kılmıştır. 41.06 mm2/s termal yayılım değerine sahip kompozitler, sadece ağırlıkça %1 AlN katkı maddesi ile üretilmiştir. Ancak tek tek lifler arasındaki mevcut hava boşlukları, bu kompozitlerin kaplama olarak uygulanması sonucunda elde edilen TİM'lerin ESD yöntemiyle üretilenlere göre daha düşük performans göstermesine neden olmuştur. Ayrıca damla döküm ve daldırma kaplama teknikleri ile de TİM'lerin üretilebileceği belirlenmiştir. Sonuçlar, takviye partiküllerinin miktarındaki artışla kaplamaların termal yayılım değerlerinin arttığını göstermiştir. Ancak bu yöntemlerle üretilen kaplamalar daha kalın ve daha pürüzlü olduğu için ağırlıkça %80 AlN içeriği ile sadece 10.574 mm2/sn'lik bir termal yayılım değerine ulaşılmıştır. Tez çalışması AlN ve CNT takviyeli kompozit kaplamalar, elektronik uygulamalarda kullanılan geleneksel termal arayüz malzemeleri için uygun alternatif malzemeler olabileceğini göstermektedir. Ayrıca, elektrosprey biriktirme tekniği geniş alanlı ölçeklenebilir ve uygun maliyetli bir süreç olduğundan, sunulan kaplamalar yeni nesil ince elektronik paketlerin seri üretimi için ekonomik olarak uygun olacaktır.In this study, aluminum nitride (AlN) and carbon nanotube (CNT) reinforced composite coatings as novel thermal interface materials for electronic applications were fabricated. The coatings were fabricated using the electrospray deposition (ESD) technique, which enables the formation of micrometer-scale coatings while also being low-cost and practical. Alternatively, composite coatings were also produced by dip coating, drop-casting, and electrospinning techniques and the performance of coatings produced with different methods was compared. The influence of fabrication technique, processing parameters, and starting composition on the morphology and the thermal behavior of composite coatings was investigated and discussed. The results indicate that among all types of coatings the ones fabricated by the ESD technique performed best. The microstructural inspections revealed that homogeneous and highly dense coatings were formed by using the ESD technique. Increasing the deposition time from 15 min to 30 min reduced the surface roughness and increased the thickness of the composite coatings. Infrared thermography images revealed that the deposition of composite coatings on aluminum alloy substrates dramatically improved its thermal effusivity. The thermal diffusivity of 15 min (38.767 mm2/s) and 30 min (37. 485 mm2/s) coated samples were approximately 30% higher than the uncoated substrate (26. 638 mm2/s). The electrospinning technique allowed the homogeneous distribution of reinforcement particles in the polymer matrix, enabling the production of fiber mats with high thermal diffusivity. Composites with a thermal diffusivity value of 41.06 mm2/s were produced with only 1 wt.% AlN additive. However, the existing air gaps between the individual fibers caused the TIMs obtained as a result of the application of these composites as coatings to have lower performance compared to those produced by the ESD method. Moreover, it has been determined that TIMs can also be produced by drop-casting and dip coating techniques. The results showed that the thermal diffusivity values of the coatings increased with the increase in the amount of reinforcement particles. However, since the coatings produced by these methods are thicker and rougher, a thermal diffusivity value of only 10,574 mm2/s has been reached with 80wt.% AlN content. The thesis study shows that AlN and CNT reinforced composite coatings can be suitable alternative materials for traditional thermal interface materials used in electronic applications. Furthermore, because the electrospray deposition technique is a large-area scalable and cost-effective process, the presented coatings would be economically feasible for the mass-production of the new generation of thin electronic packages.