Khoa học vật liệu tản nhiệt phần cứng nâng cao: từ cơ chế dẫn nhiệt điện tử đến điều chỉnh cấu trúc vi mô đa pha
Giới thiệu: Hình ảnh vật lý đa quy mô của dẫn nhiệt kim loại
Chức năng thiết yếu của tản nhiệt phần cứng là thực hiện vận chuyển nhiệt hiệu quả. Nhưng câu trả lời cho "Tại sao đồng dẫn nhiệt nhanh hơn hai bậc độ lớn so với thép không gỉ", bắt nguồn từ cơ chế vận chuyển của các hạt mang nhiệt trong vật lý vật chất ngưng tụ. Trong các tinh thể kim loại, độ dẫn nhiệt được chia sẻ bởi khí điện tử tự do và phonon rung mạng tinh thể; trong đó sự đóng góp của các điện tử tự do chiếm ưu thế (định luật Wiedemann-Franz xác minh mối quan hệ tỷ lệ giữa độ dẫn nhiệt của điện tử và độ dẫn điện). Điều này có nghĩa là bất kỳ khiếm khuyết vi mô nào ảnh hưởng đến tính di động của điện tử - khiếm khuyết điểm, trật khớp, ranh giới hạt, hạt pha thứ hai - sẽ đồng thời tán xạ các điện tử và phonon, làm giảm độ dẫn nhiệt.
Thiết kế của tản nhiệt hiệu suất cao về cơ bản là giảm thiểu mặt cắt tán xạ của cấu trúc vi mô trên các tàu sân bay dẫn nhiệt trên tiền đề đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật như độ bền, khả năng gia công và khả năng chống ăn mòn. Điều này đòi hỏi các nhà khoa học vật liệu phải đi sâu vào quy mô nguyên tử để thiết kế thành phần hợp kim và chế độ xử lý nhiệt.
Giới hạn và mâu thuẫn của hệ thống kim loại nguyên chất
Độ dẫn nhiệt của đồng nguyên chất công nghiệp (Cu≥99.9%) ở nhiệt độ phòng là khoảng 398 W / (m · K), và nhôm nguyên chất (Al≥99.5%) là khoảng 237 W / (m · K). Tuy nhiên, tính chất cơ học của kim loại nguyên chất là cực kỳ kém: độ bền năng suất của đồng nguyên chất chỉ khoảng 70 MPa, và nhôm nguyên chất là ít hơn 50 MPa. Trong các tản nhiệt cần phải chịu được căng thẳng lắp ráp cơ khí, sốc rung hoặc cần kết nối ren, kim loại nguyên chất sẽ dễ dàng bị biến dạng và trượt. Do đó, tản nhiệt thực tế không có ngoại lệ sử dụng phương pháp hợp kim hóa.
Chi phí của quá trình hợp kim hóa là sự ra đời của các nguyên tử dung dịch rắn. Khi đồng tan vào 0,5% thiếc (tạo thành đồng), độ dẫn nhiệt giảm mạnh xuống khoảng 150 W / (m · K); khi nhôm tan vào 5% silic (hợp kim nhôm đúc), độ dẫn nhiệt giảm xuống khoảng 150 ~ 180 W / (m · K). Sự suy giảm này bắt nguồn từ sự biến dạng mạng tinh thể cục bộ do sự không phù hợp kích thước giữa nguyên tử chất tan và nguyên tử chất nền, khu vực biến dạng này tạo ra sự tán xạ mạnh mẽ của sóng điện tử trong quá trình truyền. Về mặt định lượng, theo quy tắc của Mattison, tổng điện trở của hợp kim có thể được phân hủy thành tổng điện trở của điện trở ma trận và điện trở còn lại do tán xạ tạp chất, độ dẫn nhiệt giảm gần như tuyến tính khi nồng độ tạp chất tăng lên.
3, Kỹ thuật cấu trúc vi mô của các loại hợp kim nhôm
Hợp kim nhôm 6063 là lực chính tuyệt đối của tản nhiệt ép hiện nay. Thiết kế thành phần của nó được phát triển xung quanh sự hình thành pha tăng cường Mg ® Si của Mg và Si. Sau khi xử lý nhiệt dung dịch rắn (giữ nhiệt ở 520 ° C), các nguyên tử Mg và Si được "đóng băng" để hình thành dung dịch rắn siêu bão hòa trong mạng tinh thể nhôm, tại thời điểm này độ bền của hợp kim là trung bình nhưng độ dẫn nhiệt thấp nhất (khoảng 180 W / (m · K)). Hiệu ứng thời gian nhân tạo tiếp theo (giữ nhiệt ở 175 ° C trong 8 giờ) thúc đẩy sự phân tán của Mg ® Si dưới dạng pha kết tủa quy mô nano. Quá trình kết tủa một mặt tiêu thụ các nguyên tử chất tan trong mạng tinh thể (một phần khôi phục vận chuyển điện tử), mặt khác, pha kết tủa tự nó trở thành một trở ngại cho sự di chuyển của trật khớp (cải thiện độ bền). Trên đường cong thời gian, có một điểm cao nhất (độ bền và một điểm quá thời gian Các nhà thiết kế tản nhiệt thường chọn trạng thái hết thời gian: mặc dù độ bền giảm nhẹ, nhưng độ tinh khiết của ma trận tăng lên sau khi kết tủa nhiều nguyên tử chất tan hơn, độ dẫn nhiệt có thể tăng từ 180 lên 210 ~ 230 W / (m · K), đồng thời độ nhạy cảm với ăn mòn ứng suất cũng giảm.
Tương tự, hợp kim nhôm 6061 (chứa Cu, Mn, v.v.) có độ bền cao hơn, nhưng độ dẫn nhiệt chỉ khoảng 167 W / (m · K), phù hợp với các bộ phận cấu trúc có yêu cầu cơ học cực cao và nhu cầu tản nhiệt thứ hai. 1070 nhôm nguyên chất (độ dẫn nhiệt khoảng 230 W / (m · K)) hầu như không có khả năng tăng cường và chỉ được sử dụng cho lớp nhôm nguyên chất trong miếng đệm dẫn nhiệt hoặc tản nhiệt composite.
4, Lựa chọn kỹ thuật của hợp kim đồng
Hợp kim đồng dẫn nhiệt cao chủ yếu là hai loại: đồng nguyên chất C11000 (dẫn nhiệt cao nhất) và đồng zirconi crôm C18200. Trong khi vẫn giữ được độ dẫn nhiệt hơn 80% đồng nguyên chất, đồng zirconi crôm tăng độ bền kéo lên trên 350 MPa bằng cách kết tủa các hợp chất liên kim loại của Cr và Zr, và nhiệt độ làm mềm lên đến 500 ° C (cao hơn nhiều so với 250 ° C của đồng nguyên chất). Tính chất này làm cho nó trở thành lựa chọn đầu tiên cho các chất nền tản nhiệt cần phải chịu được quá trình hàn nhiệt độ cao hoặc hàn dòng chảy lại, chẳng hạn như lớp đồng bên dưới chất nền gốm DBC (phủ đồng trực tiếp) trong mô-đun công suất.
Thiết kế thấm của vật liệu tổng hợp đa pha
Để giải quyết mâu thuẫn giữa "độ dẫn nhiệt cao" và "mật độ thấp / giá thấp", giới học thuật và công nghiệp đã khám phá vật liệu tổng hợp ma trận kim loại. Ví dụ, sự ra đời của các hạt kim cương trong ma trận nhôm (độ dẫn nhiệt tự nhiên có thể đạt 2000 W / (m · K)), vật liệu tổng hợp Al-kim cương được hình thành bằng luyện kim bột hoặc đúc ép, độ dẫn nhiệt có thể vượt quá 550 W / (m · K), và hệ số giãn nở nhiệt có thể được điều chỉnh để phù hợp với chip (Si hoặc SiC), giảm đáng kể ứng suất nhiệt. Tuy nhiên, điện trở nhiệt giữa các mặt giữa các hạt kim cương và nhôm là nút thắt cổ chai - cần phải mạ bề mặt các nguyên tố hình thành cacbua như Ti, Cr để cải thiện sự kết hợp phonon.
Vật liệu composite graphene / nhôm thậm chí còn tiên tiến hơn. Mặc dù độ dẫn nhiệt trong mặt phẳng của graphene một lớp là cực kỳ cao, nhưng graphene được phân bố theo hướng rối loạn trong composite và lợi thế dẫn nhiệt trong mặt phẳng rất khó phát huy. Chỉ khi hàm lượng graphene vượt quá ngưỡng thấm (khoảng 2 ~ 5 vol%) và tạo thành một mạng lưới kết nối, độ dẫn nhiệt của vật liệu composite mới tăng lên đáng kể. Mức cao nhất trong phòng thí nghiệm hiện tại đã có thể thêm 5% giảm oxit graphene vào ma trận nhôm, độ dẫn nhiệt đạt 380 W / (m · K). Nhưng điều này từ ứng dụng công nghiệp quy mô lớn, vẫn phải đối mặt với ba thách thức về tính đồng nhất phân tán, liên kết giao diện và chi phí.
6, Điện trở nhiệt nội tại và tối ưu hóa vật liệu giao diện nhiệt
Tản nhiệt phải tiếp xúc với chip thông qua TIM. Ngay cả TIM tốt nhất (bạc thiêu kết, kim loại lỏng) cũng không thể loại bỏ hoàn toàn điện trở nhiệt tiếp xúc. Trong số đó, kim loại lỏng (ví dụ như hợp kim Ga-In) có độ dẫn nhiệt có thể đạt 30 ~ 40 W / (m · K), nhưng độ ăn mòn và độ căng bề mặt là vấn đề nghiêm trọng; mặc dù hệ số làm đầy của dầu mỡ silicon dẫn nhiệt cao, nhưng sau khi lão hóa lâu dài, dầu silicon bay hơi tạo thành vết nứt khô, điện trở nhiệt tăng vọt nhiều lần. Xu hướng công nghiệp là sử dụng TIM thay đổi pha: trạng thái rắn nhiệt độ phòng, chip nóng lên đến 45 ~ 50 ° C sau khi tan chảy thành trạng thái lỏng, chứa đầy lồi cực nhỏ, sau khi làm mát lại đông đặc, vừa dễ lắp đặt vừa có điện trở nhiệt thấp (
Kết luận
Từ nhôm nguyên chất đến vật liệu composite graphene / nhôm, sự phát triển của vật liệu tản nhiệt luôn xoay quanh một lõi: giảm thiểu sự tán xạ của các hạt mang nhiệt trong khi vẫn duy trì khả năng ứng dụng kỹ thuật. Bước đột phá của thế hệ tiếp theo có thể đến từ thiết kế cấu trúc của "siêu vật liệu" vận chuyển phonon - thay vì chỉ dựa vào điều chỉnh thành phần. Điều này đòi hỏi sự giao thoa sâu giữa truyền nhiệt, vật lý rắn và luyện kim bột.
BQUQ là nhà sản xuất tản nhiệt kim loại chuyên nghiệp, xin vui lòng gửi bản vẽ cho chúng tôi, công ty chúng tôi sẽ báo giá cho bạn trong vòng 12 giờ.
