El coure pur és la referència per a la velocitat tèrmica en una platina, però en els entorns de-alt flux- més exigents, com ara els sistemes de refrigeració de díodes làser, els conjunts de detectors de partícules i l'electrònica de microones-de grau militar-fins i tot el coure pot esdevenir un factor limitant. Per tant, ha sorgit una nova categoria de materials tèrmics dissenyats: els compostos de plata-diamants. Mitjançant la infiltració d'una matriu de partícules de diamant sintètics molt compacta amb plata fosa, es pot crear una estructura de propagació tèrmica ultra-ràpida que superi significativament el coure tant en conductivitat com en difusivitat tèrmica.
La comparació deComposició de diamants de plata vs difusivitat de platina de courerevela un salt espectacular en la capacitat de propagació tèrmica, encara que acompanyat d'una complexitat i un cost de fabricació extraordinaris.
Entendre la difusivitat tèrmica en un plat
La difusivitat tèrmica descriu la rapidesa amb què la calor pot moure's a través d'un material. En un plat, una alta difusivitat és essencial quan les càrregues de calor localitzades intenses s'han de repartir ràpidament per una àrea de superfície més gran abans que es puguin formar punts calents perjudicials.
La difusivitat tèrmica depèn de tres propietats del material primari:
Conductivitat tèrmica
Densitat
Capacitat calorífica específica
Un material amb alta difusivitat tèrmica respon gairebé instantàniament als gradients tèrmics, el que el fa ideal per a sistemes de gestió tèrmica de precisió.
El coure pur s'ha considerat durant molt de temps un dels millors materials d'enginyeria pràctics per a aquest propòsit perquè la seva conductivitat tèrmica ja és extremadament alta, normalment entre 390 i 400 W/m·K. Tanmateix, els compostos de plata-diamant fan que el rendiment sigui encara més llunyà.
Per què els compostos de plata-diamant són tan eficaços
L'extraordinari rendiment d'aquests compostos prové de la combinació de dos conductors tèrmics excepcionals en una única estructura d'enginyeria.
El diamant posseeix la conductivitat tèrmica més alta de qualsevol material a granel conegut, sovint supera els 2000 W/m·K en condicions ideals. La plata, per la seva banda, és el metall més conductor tèrmicament disponible.
Quan aquests materials es combinen correctament, es poden aconseguir conductivitats tèrmiques compostes per sobre de 500 W/m·K, amb algunes formulacions avançades que assoleixen valors encara més elevats en condicions de fabricació especialitzades.
Les partícules de diamant són autopistes tèrmiques minúscules i brillants, totes connectades per les vies ràpides de la plata, creant una xarxa contínua per al transport de calor per tota l'estructura del plat.
Com a resultat, la difusivitat tèrmica esdevé excepcionalment alta. La calor introduïda en un petit punt de la superfície del plat es pot redistribuir en una àrea molt més gran gairebé immediatament.
Comparant el rendiment del compost de plata-diamant i la placa de coure
Rendiment de coure pur
El coure segueix sent el material d'escampament tèrmic dominant per a platines industrials perquè ofereix:
Excel·lent conductivitat tèrmica
Cost relativament baix
Bona mecanització
Alta disponibilitat
Comportament mecànic previsible
Per a molts sistemes industrials de calefacció i refrigeració, el coure ja supera els requisits operatius.
Tanmateix, el coure comença a apropar-se als seus límits físics quan s'exposa a:
Densitats de flux de calor extremadament altes
Càrregues tèrmiques transitòries ràpides
Embalatge de semiconductors miniaturitzats
Cicle tèrmic d'alta{0}freqüència
En aquestes condicions, els gradients tèrmics localitzats encara poden desenvolupar-se més ràpidament del que el coure pot propagar la calor.
Plata-Rendiment compost de diamants
L'anàlisi deComposició de diamants de plata vs difusivitat de platina de coureesdevé especialment important en aplicacions on fins i tot els punts calents microscòpics no es poden tolerar.
Els compostos de plata-diamant ofereixen diversos avantatges clau:
Conductivitat tèrmica extremadament alta
Les conductivitats tèrmiques a granel que superen els 500 W/m·K proporcionen una propagació de calor significativament més ràpida que el coure.
Superior difusivitat tèrmica
Com que la calor es mou a través del compost a una velocitat excepcional, els pics tèrmics es poden aplanar abans que es produeixi un sobreescalfament localitzat.
Expansió tèrmica ajustable
Un dels avantatges de l'enginyeria més importants és el coeficient d'expansió tèrmica (CTE). En variar la fracció de càrrega de diamants dins del compost, el CTE es pot adaptar per adaptar-se millor als materials semiconductors com el silici o l'arsenur de gal·li.
Aquesta característica és fonamental en l'electrònica avançada, on l'expansió tèrmica no coincident pot produir tensions destructives durant els cicles de calefacció i refrigeració.
Tensió tèrmica reduïda en dispositius semiconductors
Una millor concordança CTE ajuda a reduir:
Morir craquejant
Fatiga de la soldadura
delaminació
Acumulació d'estrès interfacial
El coure per si sol no pot proporcionar aquest grau d'afinació d'expansió.
Els reptes de la fabricació
El notable rendiment tèrmic ve amb una dificultat de fabricació igualment notable.
La producció d'un compost de plata-diamant dens i uniforme requereix:
Partícules de diamant sintètic graduades amb precisió
Infiltració controlada de plata fosa
Processament avançat al buit
Gestió acurada de l'enllaç interfacial
El procés és lent, tècnicament exigent i costós.
A més, el material en si és extremadament dur a causa del contingut de diamants. Les tècniques de mecanitzat convencionals es tornen difícils, provocant un ràpid desgast de les eines i temps de producció prolongats.
Per fabricar geometries de platina de precisió, es pot requerir un rectificat especialitzat, mecanitzat per descàrrega elèctrica o eines de diamant.
Cost versus rendiment
La millora del rendiment respecte al coure és innegable, però també ho és l'augment de costos.
Els compostos de plata-diamant es consideren materials de cost-sense-objectes i generalment es reserven per a aplicacions on no es poden tolerar falles o on els materials d'escampament tèrmic convencionals ja han arribat als seus límits.
Les aplicacions típiques inclouen:
Sistemes de radar militars avançats
Armes d'energia dirigida-
Matrius de díodes làser{0}}d'alta potència
Electrònica per satèl·lit
Detectors de física d'alta{0}energia
Sistemes especialitzats de gestió tèrmica aeroespacial
En aquests entorns, els avantatges de rendiment justifiquen l'enorme despesa.
Tanmateix, per als sistemes de calefacció industrials convencionals, el coure segueix sent molt més econòmic.
Capacitat de propagació tèrmica en aplicacions extremes
El veritable avantatge de la tecnologia de plata-diamant apareix quan l'energia tèrmica s'ha de redistribuir gairebé instantàniament.
En un plat de coure convencional, la calor encara s'estén molt ràpidament, però les regions calentes microscòpiques poden existir breument abans que es desenvolupi l'equilibri.
En una platina composta de plata-diamant, el procés de propagació de la calor es fa molt més ràpid. Les càrregues tèrmiques de font-de fonts puntuals intenses es poden diluir a través de la superfície del plat amb una eficiència excepcional.
Aquesta capacitat és especialment valuosa per a:
Embalatge de semiconductors d'alta-densitat
Electrònica de potència polsada
Sistemes làser ultra ràpids
Conjunts de detectors criogènics
La combinació d'alta conductivitat i expansió tèrmica a mida crea un sistema de materials adequat exclusivament per als problemes de gestió tèrmica de -última generació.
Conclusió
La comparació deComposició de diamants de plata vs difusivitat de platina de couredemostra el límit superior de la moderna tecnologia de propagació tèrmica. El coure continua sent un dels millors conductors d'enginyeria que s'han desplegat mai àmpliament, però els compostos de plata-diamant el superen gràcies a la integració de l'extraordinària conductivitat tèrmica cristal·lina del diamant amb la capacitat de transport de calor metàl·lic inigualable de la plata.
El resultat és un material de gestió tèrmica d'elit capaç d'escampar càrregues de calor intenses amb una velocitat sorprenent, alhora que ofereix característiques d'expansió tèrmica ajustables per a una integració sensible de semiconductors.
La compensació-és un cost de fabricació sorprenent, combinat amb una gran dificultat de mecanitzat i una disponibilitat limitada. En conseqüència, els compostos de plata-diamant romanen limitats a les aplicacions científiques, aeroespacials i militars més avançades on el sostre de rendiment del coure pur ja no és suficient.
La propagació de la calor més ràpida possible s'aconsegueix en última instància mitjançant un matrimoni entre el conductor metàl·lic més fi i el conductor cristal·lí més fi, produint una superautopista tèrmica sense -compromisos per als sistemes tèrmics més exigents del món.
