Scienza avanzata dei materiali per i dissipatori di calore in metallo: dal meccanismo elettronico di conduzione del calore alla regolazione multifase della microstruttura
Introduzione: Immagini fisiche multiscala della conduzione del calore del metallo
La funzione essenziale dei dissipatori di calore metallici è quella di ottenere un efficiente trasporto del calore. Ma la risposta al "perché il rame conduce il calore due ordini di grandezza più velocemente dell'acciaio inossidabile" è radicata nel meccanismo di trasporto delle particelle che trasportano calore nella fisica della materia condensata. Nei cristalli metallici, la conduzione del calore è effettuata da gas di elettroni liberi e fononi vibranti a reticolo; domina il contributo degli elettroni liberi (la legge di Wiedemann-Franz verifica la relazione proporzionale tra conduttività termica degli elettroni e conduttività elettrica). Ciò significa che eventuali difetti microscopici che influenzano la mobilità degli elettroni - difetti puntiformi, dislocazioni, confini dei grani, particelle di seconda fase - disperdono elettroni e fononi simultaneamente, riducendo la conduttività termica.
La progettazione di dissipatori di calore ad alte prestazioni è essenzialmente quella di ridurre al minimo la sezione trasversale di dispersione della microstruttura sui vettori di conduzione del calore sotto la premessa di soddisfare i requisiti ingegneristici di resistenza, lavorabilità e resistenza alla corrosione. Ciò richiede agli scienziati dei materiali di andare in profondità nella scala atomica per progettare composizioni di leghe e regimi di trattamento termico.
Limiti e contraddizioni dei sistemi in metallo puro
La conducibilità termica del rame puro industriale (Cu≥99,9%) è di circa 398 W / (m · K) a temperatura ambiente e l'alluminio puro (Al≥99,5%) è di circa 237 W / (m · K). Tuttavia, le proprietà meccaniche dei metalli puri sono estremamente scarse: il carico di snervamento del rame puro è solo di circa 70 MPa e quello dell'alluminio puro è inferiore a 50 MPa. Nei dissipatori di calore che devono resistere a sollecitazioni di assemblaggio meccanico, urti di vibrazione o connessione filettata, i metalli puri possono facilmente deformarsi e scivolare. Pertanto, i pratici dissipatori di calore utilizzano soluzioni di lega senza eccezioni.
Il costo della lega è l'introduzione di atomi di soluzione solida. Quando lo 0,5% di stagno viene sciolto nel rame (per formare il bronzo), la conducibilità termica precipita a circa 150 W / (m · K); quando il 5% di silicio viene sciolto in alluminio (lega di alluminio fuso), la conducibilità termica scende a circa 150-180 W / (m · K). Questa attenuazione è dovuta alla distorsione del reticolo locale causata dalla mancata corrispondenza delle dimensioni tra gli atomi di soluto e gli atomi della matrice, che produce una forte dispersione delle onde elettroniche che si propagano. Quantitativamente, secondo la regola di Mattison, la resistività totale della lega può essere scomposta nella somma della resistività della matrice e della resistività residua causata dalla dispersione delle impurità, e la conducibilità termica diminuisce approssimativamente linearmente con l'aumento della concentrazione di impurità.
III. Ingegneria microstrutturale dei gradi della lega di alluminio
La lega di alluminio 6063 è attualmente la forza principale assoluta dei dissipatori di calore per estrusione. Il suo design di composizione ruota attorno alla formazione di Mg e Si per rafforzare la fase di Mg -2 Si. Dopo una rapida tempra dopo il trattamento termico in soluzione solida (isolamento a 520 ° C), gli atomi di Mg e Si vengono "congelati" per formare una soluzione solida sovrasatura nel reticolo di alluminio. In questo momento, la lega ha una resistenza moderata ma la conduttività termica più bassa (circa 180 W / (m · K)). Il successivo effetto temporale artificiale (isolamento a 175 ° C per 8 ore) spinge Mg -2 Si a disperdersi e precipitare sotto forma di precipitati su scala nanometrica. Da un lato, gli atomi di soluto nel reticolo vengono consumati durante le posizioni del processo di precipitazione (ripristino parziale dell'intensità del trasporto di elettroni) e, dall'altro lato, aumentando l'ostacolo alla fase di precipitazione stessa. Sulla curva di invecchiamento, c'è un punto di invecchiamento di picco (l'intensità più alta) e un punto di invecchiamento eccessivo. I progettisti di dissipatori di calore spesso scelgono lo stato di invecchiamento eccessivo: sebbene la forza sia leggermente ridotta, la purezza della matrice migliora dopo la precipitazione di più atomi di soluto, la conduttività termica può essere aumentata da 180 a 210 a 230 W / (m · K) e anche la sensibilità alla corrosione da stress è ridotta.
Allo stesso modo, la lega di alluminio 6061 (contenente Cu, Mn, ecc.) è più forte, ma la conducibilità termica è solo di circa 167 W / (m · K), che è adatta per parti strutturali con requisiti meccanici estremamente elevati e requisiti secondari di dissipazione del calore. L'alluminio puro 1070 (conducibilità termica di circa 230 W / (m · K)) ha poca capacità di rafforzamento e viene utilizzato solo per strati di alluminio puro in guarnizioni a conduzione termica o dissipatori di calore compositi.
IV. Compromessi di ingegneria per le leghe di rame
Le leghe di rame ad alta conducibilità termica sono principalmente suddivise in due categorie: rame puro C11000 (massima conducibilità termica) e rame cromo-zirconio C18200. Pur mantenendo più dell '80% di conducibilità termica del rame puro, il rame cromo-zirconio aumenta la resistenza alla trazione a più di 350 MPa precipitando composti intermetallici di Cr e Zr e la temperatura di rammollimento raggiunge i 500 ° C (molto più alta dei 250 ° C del rame puro). Questa proprietà lo rende la prima scelta per i substrati di dissipazione del calore che devono resistere a processi di saldatura o riflusso ad alta temperatura, come lo strato di rame sullo strato inferiore dei substrati ceramici DBC (rivestimento diretto in rame) nei moduli di potenza.
V. Progettazione della permeazione di compositi multifase
Per risolvere la contraddizione tra "alta conduttività termica" e "bassa densità / basso prezzo", il mondo accademico e l'industria hanno esplorato i compositi a matrice metallica. Ad esempio, l'introduzione di particelle di diamante nella matrice di alluminio (la conduttività termica naturale può raggiungere 2000 W / (m · K)), i compositi Al-diamante formati dalla metallurgia delle polveri o dalla fusione a compressione possono superare 550 W / (m · K) e il coefficiente di espansione termica può essere regolato per adattarsi al chip (Si o SiC), riducendo notevolmente lo stress termico. Tuttavia, la resistenza termica dell'interfaccia tra le particelle di diamante e l'alluminio è un collo di bottiglia: gli elementi che formano il carburo come Ti e Cr devono essere rivestiti sulla superficie per migliorare l'abbinamento dei fononi.
I compositi grafene / alluminio sono ancora più avanzati. Sebbene la conducibilità termica in piano del grafene a strato singolo sia estremamente elevata, la conducibilità termica in piano del grafene nel composito è distribuita in un orientamento disordinato e il vantaggio della conducibilità termica in piano è difficile da esercitare. La conducibilità termica del composito salta significativamente solo quando il contenuto di grafene supera la soglia di percolazione (circa 2-5 vol%) e forma una rete connessa. Dopo aver aggiunto il 5% di ossido di grafene ridotto alla matrice di alluminio al livello più alto nel laboratorio attuale, la conducibilità termica raggiunge 380 W / (m · K). Tuttavia, questa è ancora una triplice sfida di uniformità di dispersione, legame interfacciale e costo.
Resistenza termica intrinseca e ottimizzazione dei materiali di interfaccia termica
Il dissipatore di calore deve essere in contatto con il chip attraverso il TIM. Anche il miglior TIM (argento sinterizzato, metallo liquido) non può eliminare completamente la resistenza termica di contatto. Tra questi, la conduttività termica dei metalli liquidi (come la lega Ga-In) può raggiungere 30 ~ 40 W / (m · K), ma i problemi di corrosione e tensione superficiale sono gravi; sebbene il coefficiente di riempimento del grasso siliconico termoconduttivo sia elevato, l'olio siliconico evapora per formare crepe secche dopo un lungo invecchiamento e la resistenza termica sale più volte. La tendenza del settore è quella di utilizzare il TIM a cambiamento di fase: allo stato solido a temperatura ambiente, il chip viene fuso allo stato liquido dopo il riscaldamento fino a 45 ~ 50 ° C, riempito con urti microscopici e solidificato di nuovo dopo il raffreddamento. Ha sia una facile installazione e una bassa resistenza termica (
VII. Conclusione
Dall'alluminio puro ai compositi grafene / alluminio, lo sviluppo di materiali per dissipatori di calore ha sempre ruotato attorno a un nucleo: ridurre al minimo la dispersione delle particelle che trasportano calore mantenendo l'idoneità ingegneristica. La prossima generazione di scoperte probabilmente verrà dalla progettazione strutturale dei "metamateriali" per il trasporto dei fononi, piuttosto che basarsi esclusivamente sulla regolazione della composizione. Ciò richiede una profonda intersezione tra trasferimento di calore, fisica dello stato solido e metallurgia delle polveri.
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