Thứ hai, 18/11/2019 08:22

Tấm dán tản nhiệt "made in Vietnam" thay thế sản phẩm nhập khẩu

10/11/2019

Để khắc phục nhược điểm của những vật liệu tản nhiệt hiện nay, lần đầu tiên tại Việt Nam, nhóm các nhà khoa học của Trung tâm Nghiên cứu và Triển khai Khu công nghệ cao TPHCM (SHTP LABS) đã nghiên cứu và chế tạo thành công tấm dán tản nhiệt cho các thiết bị điện và điện tử trên giấy bucky, với giá thành chỉ bằng 1/3 so với nhập ngoại.

Đây cũng là sản phẩm thuộc nhiệm vụ KH&CN cấp Quốc gia ĐM.17.NC/16: “Nghiên cứu công nghệ chế tạo màng mỏng truyền nhiệt trên nền nano cacbon ứng dụng cho các thiết bị điện và điện tử”, thuộc Chương trình Đổi mới công nghệ Quốc gia đến năm 2020 do Bộ KH&CN quản lý.
 
Giảm tuổi thọ thiết bị do vật liệu tản nhiệt
 
TS. Đỗ Hữu Quyết, Chủ nhiệm đề tài, cho biết, trong các thiết bị điện tử, nếu nhiệt không được tiêu tán thì tuổi thọ và độ tin cậy của sản phẩm sẽ giảm, vì vậy, hoạt động của các thiết bị điện, điện tử phụ thuộc rất lớn vào thiết bị tản nhiệt. Một số sản phẩm như máy tính, đèn led,… có tuổi thọ không cao là do các nhà sản xuất chưa quan tâm đến việc tản nhiệt cho thiết bị.
 
TS Nguyễn Hữu Quyết báo cáo đề tài     Ảnh: KA
TS Nguyễn Hữu Quyết báo cáo kết quả nghiên cứu của đề tài. Ảnh: KA
 
Bên dưới bộ tản nhiệt bằng kim loại có vật liệu truyền nhiệt trung gian (TIMs) từ thiết bị ra bên ngoài thường được sản xuất dưới dạng keo tản nhiệt hoặc miếng dán tản nhiệt. Để sản xuất ra vật liệu này, công nghệ truyền thống thường dùng các hạt dẫn nhiệt bằng gốm hoặc kim loại, trộn với các loại polymer, silicon. Tuy nhiên, việc phối trộn này khiến cơ tính của sản phẩm không được cao, khó tăng độ dẫn nhiệt do việc truyền nhiệt giữa các hạt và với polymer kém, nhiệt độ làm việc thấp (đặc trưng vật lý của polymer). Ngoài ra, tuổi thọ thiết bị thấp do polymer, silicon… bị khô, các hạt dẫn tự nó không truyền dẫn, tiếp xúc nhiệt được, việc truyền nhiệt giữa các hạt tròn cũng rất khó vì điểm tiếp xúc nhỏ. Bên cạnh đó, các tấm dán thường dầy trên 200µm bởi nếu làm mỏng thì bề mặt khó đồng đều và độ bền cơ học kém do các hạt dẫn không tự liên kết với nhau được.
 
Hội đồng nghiệm thu nhận xét, đánh giá kết quả đề tài   Ảnh: KA
Hội đồng nghiệm thu nhận xét, đánh giá kết quả đề tài. Ảnh: KA
 
Trước thực tế đó, đề tài đã tiến hành nghiên cứu chế tạo các loại polymer dẫn nhiệt phủ trên giấy Bucky – loại màng mỏng do các sợi than ống nano đan xen lại với nhau làm vật liệu tản nhiệt cho các thiết bị điện tử như đèn led, bộ vi xử lý,… 
 
“Đây là hướng nghiên cứu mới có thể khắc phục được những nhược điểm của các vật liệu tản nhiệt nói trên và cũng là lần đầu tiên được sản xuất tại Việt Nam” – TS Quyết nói và cho biết, nhóm nghiên cứu đã chế tạo thành công hai loại tấm dán tản nhiệt từ giấy bucky kết hợp với polyacrylic acid (PAA) và silicon oil.
 
Hiệu quả tản nhiệt vượt trội
 
Tấm dán tản nhiệt bucky/PAA được chế tạo bằng cách: Giấy bucky cắt thành các miếng nhỏ khoảng 25mm x 25mm, sau đó ngâm vào dung dịch PAA (0.5g PAA hòa tan trong 20ml dung môi ethanol) và hút chân không trong 1 giờ để dung dịch polymer có thể thấm sâu vào bên trong giấy bucky. Sau đó tiến hành sấy giấy ở nhiệt độ 60°C trong hai giờ để bay hơi hoàn toàn dung môi ethannol.
 
Quy trình sản xuất giấy bucky     Ảnh: SHTP LABS
Quy trình sản xuất giấy bucky. Ảnh: SHTP LABS
Tấm dán tản nhiệt silicon oil được chế tạo bằng cách phủ đều lên hai mặt giấy bucky một lượng vừa đủ dung dịch silicon oil và hút chân không trong 1 giờ để dung dịch này có thể thấm sâu vào bên trong giấy bucky. Sau đó giấy bucky silicon oil được để ở nhiệt độ phòng.
 
Các sản phẩm nói trên đều không chứa các chất halogen, lưu huỳnh và các chất dễ bay hơi khác.
 
Nhóm nghiên cứu đã thử nghiệm dùng tấm dán tản nhiệt trên máy tính (làm việc ở công suất tối đa của máy liên tục trong vòng 3 tháng) cho thấy, khi không sử dụng giấy, ngay lập tức nhiệt độ máy tính đạt cực đại, trung bình 95 – 97ºC. Khi có giấy bucky thì nhiệt độ có giảm nhưng vẫn ở mức cao 69 – 71ºC trong tháng đầu và tăng lên 77 – 79ºC trong tháng thứ ba. 
 
Trong khi đó, thử nghiệm với giấy bucky/PAA thì nhiệt độ của máy tính được giảm xuống khá mạnh 41 – 43ºC (mẫu giấy có độ dày 135,5 µm) trong tháng đầu và 63 – 65ºC trong tháng thứ 3. Nếu tấm tản nhiệt càng dày thì hiệu quả tản nhiệt càng kém.
 
h
Hệ roll to roll để chế tạo tấm tản nhiệt. Ảnh: SHTP LABS
 
Đối với tấm tản nhiệt silicon oil, với độ dày 112,6 µm, nhiệt độ của máy giảm chỉ còn 35 – 37ºC ở tháng thứ nhất và 45 – 47ºC ở tháng thứ 3. Giấy tản nhiệt loại này cho hiệu quả tốt hơn giấy bucky/PAA là do silicon oil dễ dàng thấm sâu vào cấu trúc bên trong của giấy bucky nên tấm tản nhiệt có độ dày nhỏ hơn tấm bucky/PAA.
 
Nhóm nghiên cứu cũng thử nghiệm để so sánh với các tấm thương mại thông dụng trên thị trường hiện nay (Trung Quốc, Mỹ) cho thấy, giấy bucky/PAA và silicon oil cho hiệu quả tản nhiệt vượt trội so với các sản phẩm thương mại. Cụ thể, nếu nhiệt độ trung bình của máy tính khi làm việc có sử dụng tấm dán tản nhiệt bucky silicon oil là 46ºC, bucky/PAA là 64ºC thì của tấm dán tán nhiệt Laird T – FLEX 370 (Mỹ) là 69ºC và HT GY – 260 (Trung Quốc) là 82ºC.
 
TS Quyết lý giải, nguyên nhân là do thành phần chính của giấy bucky/PAA và bucky silicon oil là các sợi than ống nano cho hiệu quả dẫn nhiệt cao, đồng thời được kết hợp với PAA, silicon oil là các loại polymer làm tăng khả năng dẫn điện, giúp nhiệt độ được lan truyền một cách liên tục, không bị gián đoạn. Các tấm thương mại thì khá dày, thành phần chính là polymer được phối trộn với các hạt oxit kim loại ở kích thước µm, nên rất khó đi vào các lỗ trống trên bề mặt kim loại, dẫn đến khả năng dẫn nhiệt kém.
 
M
Máy đo tính chất nhiệt. Ảnh: SHTP LABS
Sản phẩm đã được thử nghiệm tại một số công ty như Công ty Cổ phần Công nghệ Plasma ứng dụng, Công ty TNHH Giải pháp Phúc Trần, LED Gia Phú,… cho kết quả hoạt động tốt, ổn định. Ngoài hai sản phẩm nói trên, nhóm nghiên cứu còn chế tạo thành công máy đo tính chất nhiệt theo tiêu chuẩn ASTM D5470 và hệ roll to roll để sản xuất tấm dán tản nhiệt có công suất 300.000cm2/tháng. Đồng thời, đăng hai bài báo quốc tế, hai bài trong nước và đào tạo được hai thạc sĩ.
 
“Chúng tôi đã làm chủ được các quy trình công nghệ chế tạo màng mỏng truyền nhiệt buckypaper và hệ tự động roll to roll để chế tạo tấm tản nhiệt kích thước trên 800cm2. Đây là nỗ lực của nhóm nghiên cứu trong việc ứng dụng vật liệu nano vào các sản phẩm công nghệ thực tiễn, vốn đang chỉ ở giai đoạn tương đối sơ khai ở Việt Nam hiện nay” – TS Quyết chia sẻ.
 
Tiềm năng thương mại hóa
 
TS Quyết cho biết, nhu cầu sử dụng sản phẩm TIMs của Việt Nam ước tính khoảng 200 tỷ đồng/năm, nhưng sản phẩm chủ yếu ở dạng keo tản nhiệt do dễ làm, giá thành rẻ, dạng tấm hiện chiếm tỷ trọng rất ít. Tuy nhiên, sử dụng tấm dán tản nhiệt giúp sản phẩm ổn định hơn. Thị trường đèn led hiện nay chủ yếu sử dụng dạng keo nên sản phẩm ít ổn định, tuổi thọ thiết bị không cao.
 
Do trong nước chưa sản xuất được TIMs, nên sản phẩm này phải nhập ngoại với giá thành cao, một miếng tản nhiệt Trung Quốc 30cm x 30cm có giá khoảng 100 nghìn đồng. Một doanh nghiệp nhỏ, mỗi tháng thường sử dụng khoảng 300 nghìn cm2 TIMs. “Nếu sản xuất được đại trà thì giá thành một tấm dán tản nhiệt 30cm x 30cm có giá chỉ bằng 1/3 – 1/5 so với nhập ngoại, tiết kiệm được khá nhiều chi phí cho doanh nghiệp” – TS Quyết nói và mong muốn được Bộ KH&CN hướng dẫn cụ thể việc định giá công nghệ, cách sử dụng tài sản công để có thể chuyển giao công nghệ hoặc hợp tác với các doanh nghiệp đưa sản phẩm ra thị trường.
 
Tấm dán tản nhiệt trên giấy bucky do SHTB LABS nghiên cứu, chế tạo
Tấm dán tản nhiệt trên giấy bucky do SHTP LABS nghiên cứu, chế tạo. Ảnh: KA
Ông Nguyễn Đức Dũng, Giám đốc Công ty Cổ phần Công nghệ Plasma ứng dụng, cho biết, công ty cũng đã sử dụng thử nghiệm tấm dán tản nhiệt do SHTP LABS chế tạo vào đèn led sân golf cho thấy, nhiệt độ chip led sau 10 tháng sử dụng thấp hơn 2,5oC so với tấm dán tản nhiệt công ty dùng trước đây. Không những thế, sau 10 tháng sử dụng, tấm dán tản nhiệt Công ty dùng trước đó có dấu hiệu khô cứng, còn tấm dán của SHTP LABS chỉ bị biến dạng ở các vị trí xiết ốc. “Sản phẩm của đề tài có hiệu quả tản nhiệt tốt, tiềm năng ứng dụng cao. Tuy nhiên, sản phẩm cần bao gói, có tấm lót để dễ sử dụng, lắp đặt hơn” – theo ông Dũng.
 
PGS.TS Hoàng Văn Gợt, Viện Nghiên cứu Cơ khí Bộ Công thương, đánh giá, đây là công nghệ lần đầu được nghiên cứu tại Việt Nam để sản xuất tấm tản nhiệt dùng cho các thiết bị điện tử. Sản phẩm của đề tài không chỉ có ý nghĩa thực tiễn cho sản xuất mà còn có giá trị về mặt khoa học. Đó là đã nghiên cứu, sản xuất thử nghiệm được tấm tản nhiệt đạt được các chỉ tiêu về hệ số dẫn nhiệt, độ bền, bám dính, đồng đều, độ mỏng,… “Để sản phẩm có thể thương mại hóa được cần đầu tư hơn nữa về công nghệ, tài chính cũng như nguồn lực để hoàn thiện máy móc máy sản xuất sản phẩm.” 
 
Bên cạnh đó, TS Gợt cho rằng, cần tuyên truyền rộng rãi hơn để toàn xã hội biết được có một sản phẩm “made in Việt Nam” do chính các nhà khoa học trong nước nghiên cứu, sản xuất và có khả năng thương mại hóa, thay thế sản phẩm nhập khẩu.