Ciencia avanzada de materiales para disipadores de calor metálicos: del mecanismo electrónico de conducción de calor a la regulación de microestructuras multifásicas
Introducción: Imágenes físicas multiescala de conducción de calor metálico
La función esencial de los disipadores de calor metálicos es lograr un transporte eficiente del calor. Pero la respuesta a "por qué el cobre conduce el calor dos órdenes de magnitud más rápido que el acero inoxidable" tiene sus raíces en el mecanismo de transporte de partículas transportadoras de calor en la física de la materia condensada. En los cristales metálicos, la conducción del calor se lleva a cabo por gas electrónico libre y fonones vibrantes de celosía; domina la contribución de electrones libres (la ley de Wiedemann-Franz verifica la relación proporcional entre la conductividad térmica de los electrones y la conductividad eléctrica). Esto significa que cualquier defecto microscópico que afecte a la movilidad de los electrones -defectos puntuales, dislocaciones, límites de grano, partículas de segunda fase- dispersa electrones y fonones simultáneamente, reduciendo la conductividad térmica.
El diseño de disipadores de calor de alto rendimiento es esencialmente para minimizar la sección transversal de dispersión de la microestructura en portadores de conducción de calor bajo la premisa de cumplir con los requisitos de ingeniería de resistencia, maquinabilidad y resistencia a la corrosión. Esto requiere que los científicos de materiales profundicen en la escala atómica para diseñar composiciones de aleaciones y regímenes de tratamiento térmico.
Límites y contradicciones de los sistemas de metales puros
La conductividad térmica del cobre puro industrial (Cu≥99,9%) es de aproximadamente 398 W / (m · K) a temperatura ambiente, y el aluminio puro (Al≥99,5%) es de aproximadamente 237 W / (m · K). Sin embargo, las propiedades mecánicas de los metales puros son extremadamente pobres: la resistencia a la fluencia del cobre puro es de solo unos 70 MPa y la del aluminio puro es inferior a 50 MPa. En los disipadores de calor que necesitan soportar la tensión de montaje mecánico, el choque de vibración o la conexión de rosca, los metales puros pueden deformarse y deslizarse fácilmente. Por lo tanto, los disipadores de calor prácticos utilizan soluciones de aleación sin excepción.
El costo de la aleación es la introducción de átomos de solución sólida. Cuando el 0,5% de estaño se disuelve en cobre (para formar bronce), la conductividad térmica cae en picado a unos 150 W / (m · K); cuando el 5% de silicio se disuelve en aluminio (aleación de aluminio fundido), la conductividad térmica cae a unos 150-180 W / (m · K). Esta atenuación se debe a la distorsión de la red local causada por el desajuste de tamaño entre los átomos de soluto y los átomos de la matriz, lo que produce una fuerte dispersión de las ondas electrónicas propagadoras. Cuantitativamente, según la regla de Mattison, la resistividad total de la aleación se puede descomponer en la suma de la resistividad de la matriz y la resistividad residual causada por la dispersión de impurezas, y la conductividad térmica disminuye aproximadamente linealmente con el aumento de la concentración de impurezas.
III. Ingeniería microestructural de grados de aleación de aluminio
La aleación de aluminio 6063 es actualmente la fuerza principal absoluta de los disipadores de calor de extrusión. Su diseño de composición gira en torno a la formación de Mg y Si para fortalecer la fase de Mg -2 Si. Después de un enfriamiento rápido después del tratamiento térmico de solución sólida (aislamiento de 520 ° C), los átomos de Mg y Si se "congelan" para formar una solución sólida sobresaturada en la celosía de aluminio. En este momento, la aleación tiene una resistencia moderada pero la conductividad térmica más baja (aproximadamente 180 W / (m · K)). El posterior efecto de tiempo artificial (aislamiento de 175 ° C durante 8 horas) impulsa a Mg -2 Si a dispersarse y precipitar en forma de precipitados a nanoescala. Por un lado, los átomos de soluto en la celosía se consumen durante el proceso de precipitación (restauración parcial del transporte de electrones), y por otro lado, la fase precipitada en sí misma se convierte en un obstáculo para el movimiento de dislocaciones (aumento de intensidad). En la curva de envejecimiento, hay un punto de envejecimiento máximo (la intensidad más alta) y un punto de sobreenvejecimiento. Los diseñadores de disipadores de calor a menudo eligen el estado de sobreenvejecimiento: aunque la fuerza se reduce ligeramente, la pureza de la matriz mejora después de que se precipitan más átomos de soluto, la conductividad térmica se puede aumentar de 180 a 210 a 230 W / (m · K), y la sensibilidad a la corrosión por tensión también se reduce.
Del mismo modo, la aleación de aluminio 6061 (que contiene Cu, Mn, etc.) es más fuerte, pero la conductividad térmica es de solo 167 W / (m · K), que es adecuada para piezas estructurales con requisitos mecánicos extremadamente altos y requisitos secundarios de disipación de calor. 1070 aluminio puro (conductividad térmica de aproximadamente 230 W / (m · K)) tiene poca capacidad de refuerzo y solo se usa para capas de aluminio puro en juntas conductoras de calor o disipadores de calor compuestos.
IV. Compromisos de ingeniería para aleaciones de cobre
Las aleaciones de cobre de alta conductividad térmica se dividen principalmente en dos categorías: cobre puro C11000 (conductividad térmica más alta) y cobre de cromo-zirconio C18200. Mientras retiene más del 80% de conductividad térmica de cobre puro, el cobre de cromo-zirconio aumenta la resistencia a la tracción a más de 350 MPa precipitando compuestos intermetálicos de Cr y Zr, y la temperatura de ablandamiento es tan alta como 500 ° C (mucho más alta que los 250 ° C de cobre puro). Esta propiedad lo convierte en la primera opción para sustratos de disipación de calor que necesitan soportar procesos de soldadura o reflujo de alta temperatura, como la capa de cobre en la capa inferior de sustratos cerámicos DBC (revestimiento directo de cobre) en módulos de potencia.
V. Diseño de permeación de materiales compuestos multifásicos
Para resolver la contradicción entre "alta conductividad térmica" y "baja densidad / bajo precio", el mundo académico y la industria han explorado los compuestos de matriz metálica. Por ejemplo, la introducción de partículas de diamante en la matriz de aluminio (la conductividad térmica natural puede alcanzar los 2000 W / (m · K)), los compuestos de Al-diamante formados por pulvimetalurgia o fundición por compresión pueden superar los 550 W / (m · K), y el coeficiente de expansión térmica se puede ajustar para que coincida con el chip (Si o SiC), reduciendo en gran medida el estrés térmico. Sin embargo, la resistencia térmica de la interfaz entre las partículas de diamante y el aluminio es un cuello de botella: los elementos formadores de carburo como Ti y Cr deben recubrirse en la superficie para mejorar la compatibilidad de los fonones.
Los compuestos de grafeno / aluminio son aún más avanzados. Aunque la conductividad térmica en el plano del grafeno de una sola capa es extremadamente alta, la conductividad térmica en el plano del grafeno en el compuesto se distribuye en una orientación desordenada y la ventaja de conductividad térmica en el plano es difícil de ejercer. La conductividad térmica del compuesto salta significativamente solo cuando el contenido de grafeno supera el umbral de percolación (aproximadamente 2-5% vol.) y forma una red conectada. Después de agregar un 5% de óxido de grafeno reducido a la matriz de aluminio al nivel más alto en el laboratorio actual, la conductividad térmica alcanza los 380 W / (m · K). Sin embargo, esto sigue siendo un triple desafío de uniformidad de dispersión, unión interfacial y costo.
Resistencia térmica intrínseca y optimización de materiales de interfaz térmica
El disipador de calor debe estar en contacto con con el chip a través del TIM. Incluso el mejor TIM (plata sinterizada, metal líquido) no puede eliminar por completo la resistencia térmica de contacto. Entre ellos, la conductividad térmica de los metales líquidos (como la aleación Ga-In) puede alcanzar 30 ~ 40 W / (m · K), pero los problemas de corrosión y tensión superficial son graves; aunque el coeficiente de llenado de la grasa conductora térmica de silicona es alto, el aceite de silicona se evapora para formar grietas secas después de un envejecimiento prolongado y la resistencia térmica se dispara varias veces. La tendencia de la industria es utilizar el cambio de fase TIM: estado sólido a temperatura ambiente, el chip se funde en estado líquido después de calentar hasta 45 ~ 50 ° C, llena con protuberancias microscópicas y solidifica nuevamente después de enfriar. Tiene fácil instalación y baja resistencia térmica (
VII. Conclusión
Desde el aluminio puro hasta los compuestos de grafeno / aluminio, el desarrollo de materiales de disipador de calor siempre ha girado en torno a un núcleo: minimizar la dispersión de partículas que transportan calor mientras se mantiene la idoneidad de la ingeniería. La próxima generación de avances probablemente vendrá del diseño estructural de los "metamateriales" de transporte de fonones, en lugar de depender únicamente del ajuste de la composición. Esto requiere una intersección profunda de transferencia de calor, física del estado sólido y pulvimetalurgia.
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