במרדף אחר מוליכות תרמית גבוהה יותר עבור חומרי ממשק תרמי, הגדלת יחס המילוי של חומרי מילוי מוליכים תרמית היא אמצעי יעיל לשיפור הביצועים התרמיים של חומרים מרוכבים. עם זאת, ביישומים מעשיים, כאשר יחס המילוי של חומרי מילוי מוליכים תרמית עולה על סף מסוים, קשיות החומר עולה בחדות, העיבוד מתקשה, וההתאמה פוחתת משמעותית, בעוד השיפור במוליכות התרמית הוא מינימלי או אפילו עומד. מאחורי תופעה זו מסתתר מושג מפתח במדע של חומרים מוליכים תרמית -שבר מילוי קריטי.
1. סוג מילוי
עבור חומרי מילוי מוליכים תרמית, בתוך קומפוזיט מוליך תרמית, העברת החום הפנימית מסתמכת בעיקר על שני נשאים: אלקטרונים ופונונים. מנגנוני העברת חום שונים משפיעים באופן עמוק על חלק המילוי הקריטי הנדרש לחומרי מילוי ליצירת רשת מוליכה תרמית יעילה:
חומרי מילוי מוליכים אלקטרונית (למשל כסף, נחושת וגרף)
חומרי מילוי אלה מסתמכים על תנועה והתנגשויות של אלקטרונים חופשיים להעברת חום. היתרון המרכזי שלהם טמון באפקט המנהור הקוונטי המשמעותי: כאשר שני חלקיקי מילוי מוליכים מובאים לטווח של ננומטרים אחדים אחד מהשני, אפילו ללא מגע ישיר, יש לאלקטרונים סבירות לחצות את מחסום הפולימר המבודד ביניהם, ולהשיג קפיצה. המשמעות היא שרשת מנותקת פיזית עשויה להיות מחוברת תרמית מראש. כתוצאה מכך, חלק המילוי הקריטי עבור חומרי מילוי אלה ליצירת רשת מוליכה תרמית יעילה הוא בדרך כלל נמוך.
חומרי מילוי מוליכים קוליים (למשל, חומרי מילוי קרמיים כמו אלומינה, סיליקון ניטריד וחומרי פחמן כמו ננו-צינוריות פחמן, גרפן)
חומרי מילוי אלה מסתמכים על פונונים (תנודות סריג) להעברת חום. הנתיב החופשי הממוצע של פונונים במטריצת פולימר לא מסודרת הוא קצר ביותר. כאשר פונונים נעים בין חומר מילוי גבישי מסודר מאוד לבין המטריצה המופרעת, או על פני מרווחים זעירים בין חומרי מילוי, מתרחשים אי התאמה ופיזור פונון חמורים. כדי ליצור מסלולי פונון יעילים, חומרי המילוי חייבים ליצור מגע פיזי הדוק וכמעט מושלם כדי למזער את ההתנגדות התרמית של הממשק. דרישה מחמירה זו גורמת בדרך כלל לשבר מילוי קריטי גבוה יותר. יתר על כן, אפילו בקרב חומרי מילוי עם אותו מנגנון העברת חום, המוליכות התרמית הפנימית של חומר המילוי יכולה להשפיע על חלק המילוי הקריטי שלו. חומרי מילוי בעלי מוליכות תרמית גבוהה הם מטבעם יעילים מאוד בהעברת חום, ומאפשרים העברת חום בקלות רבה יותר דרך "רשתות כמעט- מחוברות" לא מושלמות, ובכך רואים קפיצה משמעותית בביצועים התרמיים בכמויות מילוי נמוכות יותר. לעומת זאת, חומרי מילוי בעלי מוליכות תרמית נמוכה יותר יעילים פחות מבחינה תרמית ודורשים רשת מוליכה תרמית מושלמת יותר כדי להקל על זרימת החום לאורכה, ומכאן שגם חלק המילוי הקריטי שלהם נמוך יותר.
2. מורפולוגיה של מילוי
המורפולוגיה קובעת את יעילות המגע בין חומרי המילוי ואת צפיפות האריזה המרבית, ובכך משפיעה על חלק המילוי הקריטי. בהתבסס על מאפיינים גיאומטריים, ניתן לסווג חומרי מילוי מוליכים תרמית בעיקר כ:
חומרי מילוי כדוריים
היתרון של חומרי מילוי כדוריים טמון בפיזורם הקל וביכולת הזרימה הטובה שלהם. עם זאת, בשל סימטריה גיאומטרית, הם יכולים ליצור רשתות רק באמצעות מגע נקודתי, וכתוצאה מכך יעילות העברת חום נמוכה יותר בין חלקיקים. נדרש חלק מילוי גבוה יחסית כדי להשיג קישוריות יעילה. לדוגמה, חלק המילוי של אלומינה כדורית צריך להגיע בדרך כלל ל-40% עד 50% כדי לשפר משמעותית את המוליכות התרמית.
חומרי מילוי אניסוטרופיים (דמוי צלחת-/סיביים)
לוחות-כמו חומרי מילוי כגון בורון ניטריד משושה (h-BN) וגרפן, או חומרי מילוי סיביים כמו ננו-צינוריות פחמן (CNTs), סיבי פחמן ושפם של אלומיניום ניטריד, בעלי יחסי רוחב-גובה גבוהים או יחסי אורך-ל-קוטר גבוהים. יש להם סבירות גבוהה לחיבור הדדי, במיוחד כשהם מכוונים בכיוון מסוים, ויוצרים רשת מחלחלת באמצעות אפקט "גישור" בשברי מילוי נמוכים מאוד. עם זאת, סוגי חומרי מילוי אלו קשים יותר לפיזור ונוטים להסתבכות או להצטברות.
חומרי מילוי לא סדירים
חומרי מילוי אלו מציגים חיבור מכאני חזק, המוביל לעמידות גבוהה יותר ולעלייה חדה בצמיגות בשברי מילוי נמוכים יותר. עם זאת, הצורות הלא סדירות שלהם עשויות להגדיל את נקודות המגע בין חומרי המילוי במידה מסוימת. חלק המילוי הקריטי שלהם נופל בדרך כלל בין זה של חומרי מילוי כדוריים וחומרי מילוי- דמויי לוח/סיביים. ברור שבהנדסה מעשית, חומר מילוי מורפולוגי יחיד- מתקשה לעתים קרובות לאזן מוליכות תרמית גבוהה, קלות עיבוד וביצועים כלליים. לכן, הכלאה של- חומרי מילוי רב-מורפולוגיים הופכת לאסטרטגיה מכרעת. לדוגמה, שילוב של חומרי מילוי פלטות-כמו, סיביים וכדוריים יכולים למנף את היתרונות שלהם לבניית רשתות מוליכות תרמית מרובות-השגת סינרגיות "נקודת-קו" ו-"נקודה-מישור", וכתוצאה מכך ביצועים כלליים עדיפים בהרבה על מערכות מילוי יחיד{12}.
3. גודל חלקיקי מילוי והפצה
נתיב הולכת החום בכל נקודת מגע בין חלקיקי מילוי גדולים הוא ישיר יותר, מפחית פיזור פונון ומקל על העברת חום. הם יכולים להתחבר זה לזה כדי ליצור תעלות מוליכות תרמית רציפות בכמויות מילוי נמוכות יותר. עם זאת, מכיוון שנקודות המגע בין חלקיקים גדולים מעטות יחסית והמרווחים גדולים, הרשת המוליכה התרמית שנוצרה היא יחידה יחסית, ומגיעה לגבול מוליכות תרמית בשבר מילוי נמוך יחסית. לעומת זאת, לחלקיקים קטנים יש שטח פנים ספציפי גדול ושטח מגע גדול יותר בין חלקיקים, אך גם פיזור פונון חמור יותר. הם דורשים כמות מילוי גבוהה יותר כדי ליצור רשת מוליכה תרמית יעילה, וכתוצאה מכך שבר מילוי קריטי גבוה יותר. ביישומים מעשיים, שילוב מדעי של חומרי מילוי בגדלים שונים (למשל, שימוש בחלקיקים גדולים ליצירת השלד, וחלקיקים בינוניים/קטנים למילוי החללים). אסטרטגיה זו מייעלת באופן משמעותי את חלק המילוי הקריטי הנדרש ליצירת מסלולים מוליכים תרמית רציפים ומשפרת את המוליכות התרמית הסופית. בדרך כלל, התפלגות גודל רחבה מאפשרת בניית שלד מוליך תרמית עם מסלולים בשפע יותר תוך שימוש בכמות המינימלית הכוללת של חומרי מילוי. עם זאת, חשוב לציין שהפצה רחבה מדי עלולה להכניס חלקיקים גדולים מאוד, להשפיע על ביצועי העיבוד או לגרום לריכוז מתח מקומי. אופטימיזציה של הרשת המוליכה תרמית באמצעות הדרגתיות של גדלי חלקיקים גדולים וקטנים.
4. מאפייני משטח מילוי
גם אם נוצרת רשת מוליכה תרמית פיזית, קשר לקוי בין חומר המילוי למטריצת השרף עלולה להוביל בקלות לצבירה של חומר המילוי. יתר על כן, חום נתקל בהתנגדות משמעותית (אי-התאמה פונון גבוהה) בממשק. זה מצריך כמות גבוהה יותר של חומר מילוי כדי ליצור מסלולים תרמיים יעילים, וכתוצאה מכך חלק מילוי קריטי גבוה יותר. שינוי משטח המילוי באמצעות חומרי צימוד כמו סילאנים יכול לשפר את החיבור בין הפנים, להפחית את ההתנגדות התרמית של המשטחים ולאפשר לרשת המוליכה התרמית שנוצרה לפעול ביעילות אמיתית. זה משפר למעשה מוליכות תרמית באותו חלק מילוי תוך הפחתת צמיגות המערכת ושיפור יכולת העיבוד. עם זאת, שינוי מוגזם עלול לעכב את המגע של-חומר המילוי, ובאופן פרדוקסלי להגדיל את חלק המילוי הקריטי.
