Metal ısı alıcıları için gelişmiş malzeme bilimi: elektronik ısı iletim mekanizmasından çok fazlı mikroyapı düzenlemesine
Giriş: Metal ısı iletiminin çok ölçekli fiziksel görüntüleri
Metal ısı alıcıların temel işlevi, verimli ısı taşınımını elde etmektir. Ancak "bakırın neden ısıyı paslanmaz çelikten iki kat daha hızlı ilettiğinin" cevabı, yoğunlaştırılmış madde fiziğinde ısı taşıyan parçacıkların taşıma mekanizmasına dayanmaktadır. Metalik kristallerde, ısı iletimi serbest elektron gazı ve kafes titreşimli fononlar tarafından gerçekleştirilir; serbest elektronların katkısı hakimdir (Wiedemann-Franz yasası, elektron termal iletkenliği ile elektrik iletkenliği arasındaki orantılı ilişkiyi doğrular). Bu, elektron hareketliliğini etkileyen herhangi bir mikroskobik kusurun - nokta kusurları, çıkıklar, tane sınırları, ikinci faz parçacıkları - elektronları ve fononları aynı anda dağıtır ve termal iletkenliği azaltır.
Yüksek performanslı soğutucuların tasarımı, esasen, güç, işlenebilirlik ve korozyon direncinin mühendislik gereksinimlerini karşılama önceliği altında, ısı iletim taşıyıcıları üzerindeki mikroyapının saçılma kesitini en aza indirmektir. Bu, malzeme bilimcilerinin alaşım bileşimleri ve ısıl işlem rejimleri tasarlamak için atomik ölçeğin derinliklerine inmelerini gerektirir.
Saf metal sistemlerinin sınırları ve çelişkileri
Endüstriyel saf bakırın (Cu≥99.9%) termal iletkenliği oda sıcaklığında yaklaşık 398 W / (m · K) ve saf alüminyumun (Al≥99.5%) yaklaşık 237 W / (m · K) 'dir. Bununla birlikte, saf metallerin mekanik özellikleri son derece zayıftır: saf bakırın akma dayanımı sadece yaklaşık 70 MPa' dır ve saf alüminyumunki 50 MPa 'dan azdır. Mekanik montaj stresine, titreşim şokuna veya iplik bağlantısına dayanması gereken ısı emicilerinde, saf metaller kolayca deforme olabilir ve kayabilir. Bu nedenle, pratik ısı emiciler istisnasız alaşım çözümleri kullanır.
Alaşımın maliyeti, katı çözelti atomlarının tanıtımıdır.% 0,5 kalay bakır içinde çözüldüğünde (bronz oluşturmak için), termal iletkenlik yaklaşık 150 W / (m · K) 'ya düşer; Alüminyum (dökme alüminyum alaşımı) içinde% 5 silikon çözüldüğünde, termal iletkenlik yaklaşık 150-180 W / (m · K)' ya düşer. Bu zayıflama, yayılan elektron dalgalarının güçlü saçılmasını sağlayan, çözünen atomlar ve matris atomları arasındaki boyut uyumsuzluğunun neden olduğu yerel kafes bozulmasından kaynaklanmaktadır. Nicel olarak, Mattison kuralına göre, alaşımın toplam direnci, matris direncinin ve safsızlıkların saçılmasından kaynaklanan kalıntı direncinin toplamına ayrılabilir ve termal iletkenlik, safsızlık konsantrasyonunun artmasıyla yaklaşık olarak erken doğrusal olarak azalır.
III. Alüminyum alaşımlı kalitelerin mikroyapı mühendisliği
6063 alüminyum alaşımı şu anda ekstrüzyon soğutucularının mutlak ana kuvvetidir. Kompozisyon tasarımı, Mg-2 Si fazını güçlendirmek için Mg ve Si 'nin oluşumu etrafında döner. Katı çözelti ısıl işleminden (520 ° C izolasyon) sonra hızlı söndürmeden sonra, Mg ve Si atomları, alüminyum kafes içinde süper doymuş bir katı çözelti oluşturmak için "dondurulur". Bu sırada, alaşımın orta derecede bir dayanıklılığı vardır, ancak en düşük termal iletkenliği (yaklaşık 180 W / (m · K)) vardır. Sonraki yapay zaman etkisi (8 saat boyunca 175 ° C izolasyon), Mg-2 Si' nin nanoscale çökeltileri şeklinde dağılmasını ve çökelmesini sağlar. Bir yandan, çökeltme işlemi sırasında (elektron taşınmasının kısmi restorasyonu) kafesteki çözünmüş atomlar tüketilir ve diğer yandan çökelmiş fazın kendisi, artan konumların (dağılma yoğunluğunun) hareketine bir engel haline gelir. Yaşlanma eğrisinde, bir tepe yaşlanma noktası (en yüksek yoğunluk) ve bir aşırı yaşlanma noktası vardır. Isı emici tasarımcıları genellikle aşırı yaşlanma durumunu seçerler: güç biraz azalsa da, daha fazla çözünen atom çökeltildikten sonra matrisin saflığı artar, termal iletkenlik 180 'den 210' a çıkarılabilir W / (m · K) ve stres korozyon hassasiyeti de azalır.
Benzer şekilde, 6061 alüminyum alaşımı (Cu, Mn vb. İçerir) daha güçlüdür, ancak termal iletkenlik yalnızca yaklaşık 167 W / (m · K) olup, bu, son derece yüksek mekanik gereksinimlere ve ikincil ısı dağılımı gereksinimlerine sahip yapısal parçalar için uygundur. 1070 saf alüminyum (yaklaşık 230 W / (m · K) termal iletkenlik) çok az güçlendirme kabiliyetine sahiptir ve yalnızca ısı ileten contalar veya kompozit ısı alıcıları içindeki saf alüminyum katmanlar için kullanılır.
IV. Bakır alaşımları için mühendislik değiş tokuşları
Yüksek ısı iletkenliği bakır alaşımları esas olarak iki kategoriye ayrılır: C11000 saf bakır (en yüksek termal iletkenlik) ve C18200 krom-zirkonyum bakır.% 80 'den fazla saf bakır ısı iletkenliğini korurken, krom-zirkonyum bakır, Cr ve Zr' nin metaller arası bileşiklerini çökelterek gerilme mukavemetini 350 MPa 'nın üzerine çıkarır ve yumuşama sıcaklığı 500 ° C' ye kadar çıkar (250 ° C saf bakırdan çok daha yüksektir). Bu özellik, güç modüllerinde DBC 'nin (doğrudan bakır kaplama) seramik alt tabakalarının alt tabakasındaki bakır tabakası gibi yüksek sıcaklıkta lehimleme veya yeniden akış işlemlerine dayanması gereken ısı yayma yüzeyleri için ilk tercihtir.
V. Çok fazlı kompozitlerin geçirgenlik tasarımı
"Yüksek termal iletkenlik" ve "düşük yoğunluklu / düşük fiyat" arasındaki çelişkiyi çözmek için akademi ve endüstri metal matris kompozitleri araştırdı. Örneğin, alüminyum matrisine elmas parçacıklarının sokulması (doğal termal iletkenlik 2000 W / (m · K) 'ya ulaşabilir), toz metalurjisi veya sıkma dökümü ile oluşturulan Al-elmas kompozitleri 550 W / (m · K)' yı geçebilir ve termal genleşme katsayısı çiple (Si veya SiC) eşleşecek şekilde ayarlanarak termal stresi büyük ölçüde azaltır. Bununla birlikte, elmas parçacıkları ve alüminyum arasındaki arayüz termal direnci bir darboğazdır - fonon uyumunu iyileştirmek için Ti ve Cr gibi karbür oluşturan elemanların yüzeyde kaplanması gerekir.
Grafen / alüminyum kompozitler daha da gelişmiştir. Tek katmanlı grafenin düzlem içi termal iletkenliği son derece yüksek olmasına rağmen, kompozitteki grafenin düzlem içi termal iletkenliği düzensiz bir oryantasyonda dağılır ve düzlem içi termal iletkenlik avantajının uygulanması zordur. Kompozitin termal iletkenliği, yalnızca grafen içeriği süzülme eşiğini (yaklaşık% 2-5 cilt) aştığında ve bağlı bir ağ oluşturduğunda önemli ölçüde artar. Mevcut laboratuvarda en yüksek seviyede alüminyum matrise% 5 azaltılmış grafen oksit eklendikten sonra, termal iletkenlik 380 W / (m · K) 'ya ulaşır. Bununla birlikte, bu hala dağılım düzgünlüğü, ara yüz bağı ve maliyet açısından üçlü bir zorluktur.
Termal arayüz malzemelerinin içsel ısıl direnci ve optimizasyonu
Isı emici, TIM aracılığıyla çip ile temas halinde olmalıdır. En iyi TIM (sinterlenmiş gümüş, sıvı metal) bile temas ısıl direncini tamamen ortadan kaldıramaz. Bunlar arasında, sıvı metallerin (Ga-In alaşımı gibi) ısıl iletkenliği 30 ~ 40 W / (m · K) 'ya ulaşabilir, ancak korozyon ve yüzey gerilimi sorunları ciddidir; Termal iletkenli silikon gres dolum katsayısı yüksek olmasına rağmen, silikon yağı buharlaşarak uzun süreli yaşlanmadan sonra kuru çatlaklar oluşturur ve ısıl direnç birkaç kez yükselir. Endüstri eğilimi, faz değişimi TIM kullanmaktır: oda sıcaklığında katı hal, çip 45 ~ 50 ° C' ye kadar ısıtıldıktan sonra sıvı halde eritilir, mikroskobik tümseklerle doldurulur ve soğutulduktan sonra tekrar katılaşır. Hem kolay kurulum hem de düşük ısıl dirence sahiptir (
VII. Sonuç
Saf alüminyumdan grafen / alüminyum kompozitlere kadar, ısı emici malzemelerin gelişimi her zaman tek bir çekirdek etrafında dönmüştür: mühendislik uygunluğunu korurken ısı taşıyan parçacıkların saçılmasını en aza indirmek. Yeni nesil atılımların, yalnızca kompozisyon ayarlamasına dayanmak yerine, fonon taşıma "metamalzemelerinin" yapısal tasarımından gelmesi muhtemeldir. Bu, ısı transferinin, katı hal fiziğinin ve toz metalurjisinin derin bir kesişimini gerektirir.
BQUQ profesyonel bir metal ısı emici üreticisidir, lütfen bize çizimler gönderin, şirketimiz size 12 saat içinde teklif verecektir.
