Передовая материаловедение для металлических радиаторов: от электронного механизма теплопроводности к регулированию многофазной микроструктуры
Введение: Многомасштабные физические изображения металлической теплопроводности
Основная функция металлических радиаторов заключается в достижении эффективного переноса тепла. Но ответ на вопрос, "почему медь проводит тепло на два порядка быстрее, чем нержавеющая сталь", уходит корнями в механизм переноса теплонесущих частиц в физике конденсированного состояния. В металлических кристаллах теплопроводность осуществляется свободным электронным газом и вибрирующими фононами решетки; доминирует вклад свободных электронов (закон Видемана-Франца проверяет пропорциональную связь между электронной теплопроводностью и электропроводностью). Это означает, что любые микроскопические дефекты, влияющие на подвижность электронов - точечные дефекты, дислокации, границы зерен, частицы второй фазы - одновременно рассеивают электроны и фононы, снижая теплопроводность.
Конструкция высокоэффективных радиаторов, по сути, заключается в минимизации поперечного сечения рассеяния микроструктуры на носителях теплопроводности при условии соблюдения технических требований к прочности, обрабатываемости и коррозионной стойкости. Это требует от материаловедов углубиться в атомный масштаб для проектирования составов сплавов и режимов термообработки.
Пределы и противоречия систем чистого металла
Теплопроводность промышленной чистой меди (Cu≥99,9%) при комнатной температуре составляет около 398 Вт / (м · К), а чистого алюминия (Al≥99,5%) - около 237 Вт / (м · К). Однако механические свойства чистых металлов чрезвычайно низки: предел текучести чистой меди составляет всего около 70 МПа, а чистого алюминия - менее 50 МПа. В радиаторах, которые должны выдерживать механическое напряжение сборки, вибрационный удар или резьбовое соединение, чистые металлы могут легко деформироваться и скользить. Поэтому в практических радиаторах используются легирующие растворы без исключения.
Стоимость легирования - введение атомов твердого раствора. Когда 0,5% олова растворяется в меди (для образования бронзы), теплопроводность падает примерно до 150 Вт / (м · К); когда 5% кремния растворяется в алюминии (литой алюминиевый сплав), теплопроводность падает примерно до 150-180 Вт / (м · К). Это затухание связано с локальным искажением решетки, вызванным несоответствием размеров между атомами растворенного вещества и атомами матрицы, что приводит к сильному рассеянию распространяющихся электронных волн. Количественно, согласно правилу Маттисона, полное сопротивление сплава может быть разложено на сумму сопротивления матрицы и остаточного сопротивления, вызванного рассеянием примесей, а теплопроводность приблизительно линейно уменьшается с увеличением концентрации примеси.
III. Микроструктурная инженерия марок алюминиевых сплавов
Алюминиевый сплав 6063 в настоящее время является абсолютной основной силой экструзионных радиаторов. Конструкция его состава вращается вокруг образования Mg и Si для усиления фазы Mg -2 Si. После быстрой закалки после термообработки твердым раствором (изоляция 520 ° C) атомы Mg и Si "замораживаются", образуя пересыщенный твердый раствор в алюминиевой решетке. В это время сплав имеет умеренную прочность, но самую низкую теплопроводность (около 180 Вт / (м · К)). Последующий искусственный временной эффект (изоляция 175 ° C в течение 8 часов) побуждает Mg -2 Si рассеиваться и осаждаться в виде наноразмерных осадков. С одной стороны, растворенные атомы решетки расходуются в процессе осаждения (частичное восстановление переноса электронов), а с другой, сама осажденная фаза становится препятствием для движения дислокаций (повышение интенсивности). На кривой старения есть пиковая точка старения (самая высокая интенсивность) и точка перестарения. Дизайнеры теплоотводов часто выбирают состояние перестарения: хотя прочность немного уменьшается, чистота матрицы улучшается после осаждения большего количества атомов растворенного вещества, теплопроводность может быть увеличена со 180 до 210 до 230 Вт / (м · К), а также снижается чувствительность к коррозии напряжением.
Точно так же алюминиевый сплав 6061 (содержащий Cu, Mn и т. д.) прочнее, но теплопроводность составляет всего около 167 Вт / (м · К), что подходит для конструкционных деталей с чрезвычайно высокими механическими требованиями и требованиями к вторичному тепловыделению. 1070 чистый алюминий (теплопроводность около 230 Вт / (м · К)) имеет небольшую усиливающую способность и используется только для чистых алюминиевых слоев в теплопроводящих прокладках или композитных радиаторах.
IV. Инженерные компромиссы для медных сплавов
Высокая теплопроводность медных сплавов в основном делятся на две категории: C11000 чистой меди (высокая теплопроводность) и C18200 хром-циркониевая медь. Сохраняя теплопроводность чистой меди более 80%, хромоциркониевая медь увеличивает прочность на разрыв до более чем 350 МПа за счет осаждения интерметаллических соединений Cr и Zr, а температура размягчения достигает 500 ° C (намного выше, чем 250 ° C чистой меди). Это свойство делает его первым выбором для тепловыделения субстратов, которые должны выдерживать высокотемпературные процессы пайки или оплавления, такие как медный слой на нижнем слое DBC (прямая медная обшивка) керамических подложек в силовых модулях.
V. Проницаемость многофазных композитов
Чтобы решить противоречие между "высокой теплопроводностью" и "низкой плотностью / низкой ценой", научные круги и промышленность исследовали композиты с металлической матрицей. Например, введение алмазных частиц в алюминиевую матрицу (естественная теплопроводность может достигать 2000 Вт / (м · К)), алмазные композиты, образованные порошковой металлургией или литьем под давлением, могут превышать 550 Вт / (м · К), а коэффициент теплового расширения может быть отрегулирован для соответствия чипу (Si или SiC), что значительно снижает тепловое напряжение. Однако тепловое сопротивление интерфейса между алмазными частицами и алюминием является узким местом - карбидообразующие элементы, такие как Ti и Cr, должны быть покрыты на поверхности для улучшения соответствия фононам.
Графеново-алюминиевые композиты еще более совершенны. Хотя теплопроводность однослойного графена в плоскости чрезвычайно высока, теплопроводность графена в композите распределена в неупорядоченной ориентации, а преимущество теплопроводности в плоскости сложно обеспечить. Теплопроводность композита значительно возрастает только тогда, когда содержание графена превышает порог перколяции (около 2-5 об.%) и образует соединенную сеть. После добавления 5% уменьшенного оксида графена к алюминиевой матрице на самом высоком уровне в текущей лаборатории теплопроводность достигает 380 Вт / (м · К). Однако это все еще тройная проблема дисперсионной однородности, межфазного соединения и стоимости.
Собственное термическое сопротивление и оптимизация термоинтерфейсных материалов
Теплоотвод должен контактировать с чипом через TIM. Даже лучший TIM (спеченное серебро, жидкий металл) не может полностью устранить теплостойкость контакта. Среди них теплопроводность жидких металлов (таких как сплав Ga-In) может достигать 30 ~ 40 Вт / (м · К), но проблемы с коррозией и поверхностным натяжением серьезны; хотя коэффициент заполнения теплопроводящей силиконовой смазки высок, силиконовое масло испаряется с образованием сухих трещин после длительного старения, а тепловое сопротивление возрастает в несколько раз. Отраслевая тенденция заключается в использовании TIM с фазовым переходом: твердое состояние при комнатной температуре, чип расплавляется до жидкого состояния после нагревания до 45 ~ 50 ° C, заполняется микроскопическими ударами и снова затвердевает после охлаждения. Он имеет как простую установку, так и низкое теплостойкость (
VII. Вывод
От чистого алюминия до графен / алюминиевых композитов разработка материалов-радиаторов всегда вращалась вокруг одного ядра: минимизации рассеяния теплонесущих частиц при сохранении инженерной пригодности. Следующее поколение прорывов, вероятно, будет связано со структурным дизайном "метаматериалов" переноса фононов, а не с исключительно корректировкой состава. Это требует глубокого пересечения теплопередачи, физики твердого тела и порошковой металлургии.
BQUQ является профессиональным производителем металлических радиаторов, пожалуйста, пришлите нам чертежи, и наша компания процитирует вас в течение 12 часов.
