Fortschrittliche Materialwissenschaft für Metallkühlkörper: vom elektronischen Wärmeleitmechanismus zur mehrphasigen Mikrostrukturregelung
Einführung: Physikalische Bilder der Wärmeleitung von Metallen in mehreren Maßstäben
Die wesentliche Funktion von Metallkühlkörpern besteht darin, einen effizienten Wärmetransport zu erreichen. Aber die Antwort auf die Frage, "warum Kupfer Wärme um zwei Größenordnungen schneller leitet als Edelstahl", wurzelt im Transportmechanismus wärmetragender Teilchen in der Physik der kondensierten Materie. Bei Metallkristallen erfolgt die Wärmeleitung durch freies Elektronengas und schwingende Phononen im Gitter; der Beitrag freier Elektronen dominiert (das Wiedemann-Franz-Gesetz bestätigt das proportionale Verhältnis zwischen der Wärmeleitfähigkeit der Elektronen und der elektrischen Leitfähigkeit). Das bedeutet, dass alle mikroskopischen Defekte, die die Elektronenbeweglichkeit beeinträchtigen - Punktdefekte, Versetzungen, Korngrenzen, Teilchen der zweiten Phase - gleichzeitig Elektronen und Phononen streuen und so die Wärmeleitfähigkeit verringern.
Bei der Konstruktion von Hochleistungskühlkörpern geht es im Wesentlichen darum, den Streuquerschnitt der Mikrostruktur auf Wärmeleitungsträgern zu minimieren, unter der Prämisse, die technischen Anforderungen an Festigkeit, Bearbeitbarkeit und Korrosionsbeständigkeit zu erfüllen. Dies erfordert, dass Materialwissenschaftler tief in die atomare Skala eindringen, um Legierungszusammensetzungen und Wärmebehandlungsregime zu entwerfen.
Grenzen und Widersprüche reiner Metallsysteme
Die Wärmeleitfähigkeit von industriellem Reinkupfer (Cu≥99,9%) beträgt bei Raumtemperatur etwa 398 W / (m-K) und Reinaluminium (Al≥99,5%) etwa 237 W / (m-K). Die mechanischen Eigenschaften von Reinmetallen sind jedoch äußerst schlecht: Die Streckgrenze von Reinkupfer beträgt nur etwa 70 MPa, die von Reinaluminium weniger als 50 MPa. In Kühlkörpern, die mechanischen Montagebelastungen, Vibrationsstößen oder Gewindeverbindungen standhalten müssen, können sich Reinmetalle leicht verformen und verrutschen. Daher verwenden praktische Kühlkörper ausnahmslos Legierungslösungen.
Die Kosten für die Legierung sind die Einführung von Atomen in fester Lösung. Wenn 0,5% Zinn in Kupfer gelöst wird (um Bronze zu bilden), sinkt die Wärmeleitfähigkeit auf etwa 150 W / (m-K); wenn 5% Silizium in Aluminium (Aluminiumgusslegierung) gelöst wird, sinkt die Wärmeleitfähigkeit auf etwa 150-180 W / (m-K). Diese Abschwächung ist auf die lokale Gitterverzerrung zurückzuführen, die durch die Größenabweichung zwischen den gelösten Atomen und den Matrixatomen verursacht wird, was zu einer starken Streuung der sich ausbreitenden Elektronenwellen führt. Quantitativ kann gemäß der Mattison-Regel der Gesamtwiderstand der Legierung in die Summe des Matrixwiderstands und des durch die Streuung von Verunreinigungen verursachten Restwiderstands zerlegt werden, und die Wärmeleitfähigkeit nimmt ungefähr linear mit der Zunahme der Verunreinigungskonzentration ab.
III. Mikrostrukturtechnik von Aluminiumlegierungen
6063 Aluminiumlegierung ist derzeit die absolute Hauptkraft von Extrusionswärmesenken. Seine Zusammensetzung Design dreht sich um die Bildung von Mg und Si, um die Phase von Mg -2 Si zu stärken. Nach schnellem Abschrecken nach Feststoffwärmebehandlung (520 ° C Isolierung) werden Mg- und Si-Atome "eingefroren", um eine übersättigte feste Lösung im Aluminiumgitter zu bilden. Zu diesem Zeitpunkt hat die Legierung eine mäßige Festigkeit, aber die niedrigste Wärmeleitfähigkeit (etwa 180 W / (m · K)). Der anschließende künstliche Zeiteffekt (175 ° C Isolierung für 8 Stunden) veranlasst Mg -2 Si, sich zu dispergieren und in Form von nanoskaligen Ausfällungen auszufällen. Einerseits werden die gelösten Atome im Gitter während des Ausfällungsprozesses verbraucht (teilweise Wiederherstellung des Elektronentransports), andererseits wird die ausgefällte Phase selbst zu einem Hindernis für die Bewegung von Versetzungen (zunehmende Intensität). Auf der Alterungskurve gibt es einen Spitzenalterungspunkt (die höchste Intensität) und einen Überalterungspunkt. Konstrukteure von Kühlkörpern entscheiden sich häufig für den Zustand der Überalterung: Obwohl die Festigkeit leicht reduziert ist, wird die Reinheit der Matrix verbessert, nachdem mehr gelöste Atome ausgefällt sind, die Wärmeleitfähigkeit kann von 180 auf 210 auf 230 W / (m · K) erhöht werden, und die Spannungskorrosionsempfindlichkeit wird ebenfalls reduziert.
In ähnlicher Weise ist die Aluminiumlegierung 6061 (mit Cu, Mn usw.) stärker, aber die Wärmeleitfähigkeit beträgt nur etwa 167 W / (m · K), was für Strukturteile mit extrem hohen mechanischen Anforderungen und sekundären Wärmeableitungsanforderungen geeignet ist. Reinaluminium 1070 (Wärmeleitfähigkeit ca. 230 W / (m · K)) hat eine geringe Verstärkungsfähigkeit und wird nur für Reinaluminiumschichten in Wärmeleitdichtungen oder Verbundkühlkörpern verwendet.
IV. Technische Kompromisse bei Kupferlegierungen
Kupferlegierungen mit hoher Wärmeleitfähigkeit werden hauptsächlich in zwei Kategorien unterteilt: C11000 reines Kupfer (höchste Wärmeleitfähigkeit) und C18200 Chrom-Zirkonium-Kupfer. Unter Beibehaltung der Wärmeleitfähigkeit von mehr als 80% reinem Kupfer erhöht Chrom-Zirkonium-Kupfer die Zugfestigkeit auf mehr als 350 MPa, indem es intermetallische Verbindungen aus Cr und Zr ausfällt, und die Erweichungstemperatur beträgt bis zu 500 ° C (viel höher als die 250 ° C von reinem Kupfer). Diese Eigenschaft macht es zur ersten Wahl für Wärmeableitungssubstrate, die Hochtemperatur-Löt- oder Reflow-Prozessen standhalten müssen, wie z. B. die Kupferschicht auf der unteren Schicht von DBC-Keramiksubstraten (Direktkupferbeschichtung) in Leistungsmodulen.
V. Permeationsdesign von mehrphasigen Verbundwerkstoffen
Um den Widerspruch zwischen "hoher Wärmeleitfähigkeit" und "niedriger Dichte / niedrigem Preis" zu lösen, haben Wissenschaft und Industrie Metallmatrix-Verbundwerkstoffe erforscht. Zum Beispiel die Einführung von Diamantpartikeln in die Aluminiummatrix (natürliche Wärmeleitfähigkeit kann 2000 W / (m-K) erreichen), Al-Diamant-Verbundwerkstoffe, die durch Pulvermetallurgie oder Squeeze-Casting gebildet werden, können 550 W / (m-K) überschreiten, und der Wärmeausdehnungskoeffizient kann an den Chip (Si oder SiC) angepasst werden, was die thermische Belastung stark reduziert. Allerdings ist der thermische Grenzflächenwiderstand zwischen Diamantpartikeln und Aluminium ein Engpass - karbidbildende Elemente wie Ti und Cr müssen auf die Oberfläche aufgetragen werden, um die Phononanpassung zu verbessern.
Graphen / Aluminium-Verbundwerkstoffe sind sogar noch fortschrittlicher. Obwohl die Wärmeleitfähigkeit von einschichtigem Graphen in der Ebene extrem hoch ist, ist die Wärmeleitfähigkeit von Graphen in der Ebene im Verbundwerkstoff in einer ungeordneten Ausrichtung verteilt, und der Vorteil der Wärmeleitfähigkeit in der Ebene ist schwer auszuüben. Die Wärmeleitfähigkeit des Verbundwerkstoffs springt nur dann erheblich, wenn der Graphengehalt die Perkolationsschwelle (etwa 2-5 Vol.-%) überschreitet, und bildet ein verbundenes Netzwerk. Nach Zugabe von 5% reduziertem Graphenoxid zur Aluminiummatrix auf dem höchsten Niveau im derzeitigen Labor erreicht die Wärmeleitfähigkeit 380 W / (m · K). Dies ist jedoch immer noch eine dreifache Herausforderung in Bezug auf die Gleichmäßigkeit der Dispersion, die Grenzflächenbindung und die Kosten.
Eigenthermischer Widerstand und Optimierung von thermischen Grenzflächenmaterialien
Der Kühlkörper muss über das TIM mit dem Chip in Kontakt sein. Selbst das beste TIM (gesintertes Silber, Flüssigmetall) kann den thermischen Kontaktwiderstand nicht vollständig beseitigen. Unter ihnen kann die Wärmeleitfähigkeit von Flüssigmetallen (wie Ga-In-Legierung) 30 ~ 40 W / (m · K) erreichen, aber die Korrosions- und Oberflächenspannungsprobleme sind ernst; Obwohl der Füllkoeffizient von wärmeleitendem Silikonfett hoch ist, verdunstet das Silikonöl und bildet nach längerer Alterung trockene Risse, und der Wärmewiderstand steigt um ein Vielfaches. Der Industrietrend ist die Verwendung von Phasenwechsel-TIM: Festkörper bei Raumtemperatur, der Chip wird nach dem Erhitzen auf 45 ~ 50 ° C in einen flüssigen Zustand geschmolzen, mit mikroskopischen Unebenheiten gefüllt und nach dem Abkühlen wieder verfestigt. Es hat sowohl eine einfache Installation als auch eine geringe Wärmebeständigkeit (
VII. Schlussfolgerung
Von reinem Aluminium bis hin zu Graphen / Aluminium-Verbundwerkstoffen drehte sich die Entwicklung von Kühlkörpermaterialien immer um einen Kern: die Minimierung der Streuung wärmetragender Partikel bei gleichzeitiger Beibehaltung der technischen Eignung. Die nächste Generation von Durchbrüchen wird wahrscheinlich aus dem strukturellen Design von Phononentransport- "Metamaterialien" kommen - anstatt sich nur auf die Anpassung der Zusammensetzung zu verlassen. Dies erfordert eine tiefe Überschneidung von Wärmeübertragung, Festkörperphysik und Pulvermetallurgie.
BQUQ ist ein professioneller Hersteller von Metallkühlkörpern, bitte senden Sie uns Zeichnungen, und unser Unternehmen wird Ihnen innerhalb von 12 Stunden ein Angebot unterbreiten.
