حل LFA المتقدم: تحليل السوائل القائمة على الغاليوم

مقدمة

تبرز المعادن السائلة القائمة على الغاليوم (Ga) كمواد أساسية في مجال تبريد الأجهزة الإلكترونية عالية الطاقة، وذلك بفضل موصلية كهربائية وموصلية حرارية وخصائص تدفق استثنائية. في مجال إدارة الحرارة، يمكن استخدام الغاليوم وسبائك الغاليوم والإنديوم (In) كمواد واجهة حرارية، حيث تملأ الفجوات بين الرقائق والمبددات الحرارية لتبديد الحرارة المتولدة عن المكونات الأساسية مثل وحدات المعالجة المركزية (CPU) ووحدات معالجة الرسومات (GPU) بكفاءة. وهذا يقلل بشكل كبير من درجات حرارة التشغيل ويضمن استقرار أداء الجهاز. كما أن كفاءة التبديد الحراري لهذه المواد تفوق بكثير كفاءة الشحوم الحرارية والوسادات الحرارية. علاوة على ذلك، تتمتع الجاليوم وسبائكه بنطاق درجات حرارة سائلة واسع للغاية (من درجات حرارة دون الصفر إلى ما يزيد عن 2000 درجة مئوية) وموصلية حرارية تفوق بكثير تلك الخاصة بالماء، مما يجعلها وسائط تبريد حراري واعدة للغاية للرقائق ذات الكثافة العالية للطاقة، والتطبيقات الفضائية، ومجالات أخرى.

يعد الاختبار الدقيق للموصلية الحرارية لـ Ga وسبائك Ga-In أمرًا ضروريًا لضمان تشغيلها الآمن والفعال في تطبيقات إدارة الحرارة الحرجة. لا يقتصر تحليل الليزر/وميض الضوء (LFA) على قياس الموصلية الحرارية للعينات الصلبة التقليدية فحسب، بل يمكنه أيضًا — عند استخدام حاملات العينات المناسبة واختيار نماذج الحساب الملائمة — قياس الانتشار الحراري لعينات خاصة مثل السوائل والمعاجين والمساحيق، وبالتالي حساب موصليةها الحرارية. تركز مذكرة التطبيق هذه على الطريقة التي يستخدمها جهاز قياس الموصلية الحرارية ( NETZSCH ) LFA 717 HyperFlash^® لتحديد الموصلية الحرارية لعينات الجاليوم النقي وسبائك الجاليوم-الإنديوم باستخدام حامل عينات سائل من مادة PEEK.

الجدول 1: شروط القياس

نتائج القياس

يوضح الشكل 1 نتائج قياس معامل الانتشار الحراري، والسعة الحرارية النوعية (_cp)، والموصلية الحرارية لعينة نقية من الغاليوم (Ga)، والتي تم قياسها في نطاق درجات حرارة يتراوح بين 30 درجة مئوية و120 درجة مئوية. عند درجة حرارة 30 درجة مئوية، بلغت الانتشارية الحرارية للعينة والتوصيلية الحرارية 11.4 مم²/ثانية و26.6 واط/(م·كلفن) على التوالي، وهو ما يتوافق مع القيم المذكورة في المراجع العلمية [1]. وتزداد كل من الانتشارية الحرارية والتوصيلية الحرارية مع ارتفاع درجة الحرارة. تم قياس السعة الحرارية النوعية (_cp) باستخدام جهاز تحليل التباين الحراري (DSC) طراز DSC 300 من شركة « NETZSCH » Caliris^®Select . وتجدر الإشارة إلى أنه، نظرًا للتفاعل الشديد بين الغاليوم (Ga) والألومنيوم (Al)، تم استخدام بوتقة من البلاتين (Pt) مبطنة بـ Al₂O₃ لإجراء القياس.

يعتمد حامل العينات السائلة المصنوع من مادة PEEK على نموذج ثلاثي الطبقات. بعد التجميع، يمكن تحميل العينات السائلة في الحاوية – المكونة من قرصين علوي وسفلي من الفولاذ المقاوم للصدأ وحلقة من مادة PEEK – عن طريق الحقن أو إضافة قطرات أو التلطيخ (انظر الشكل 2). ويمكن استخدام حامل العينات الخاص هذا لاختبار عينات مثل السوائل والمعادن السائلة والمعاجين.

عند استخدام هذا الحامل، يتم اللجوء إلى نموذج ثلاثي الطبقات لحساب معامل الانتشار الحراري. يوضح الشكل 3 منحنى ارتفاع درجة الحرارة لعينة الغاليوم النقي عند 30 درجة مئوية. ويمكن ملاحظة أن المنحنى المقاس (الأزرق) يتطابق تمامًا مع المنحنى المُعدّل وفقًا للنموذج (الأحمر)، مما يؤكد مرة أخرى صحة ودقة نتائج الاختبار التي تم الحصول عليها باستخدام حامل العينات PEEK المخصص للسوائل.

تبلغ درجة انصهار الغاليوم النقي حوالي 29.8 درجة مئوية. ويبقى في الحالة الصلبة في ظل ظروف درجة حرارة الغرفة العادية، ولا يمكن استخدامه مباشرةً كمواد واجهة حرارية سائلة أو كسائل تشغيل متدفق. وتؤدي إضافة عناصر مثل الإنديوم والقصدير (Sn) إلى الغاليوم إلى تكوين سبائك يوتكتية تعمل على خفض درجة الانصهار بشكل كبير. على سبيل المثال، تبلغ درجة انصهار سبيكة الغاليوم-الإنديوم-القصدير التجارية «غالينستان» (Galinstan) -19 درجة مئوية. وهذا يعني أنها تظل سائلة في معظم الظروف البيئية الطبيعية، مما يوسع نطاق تطبيقاتها بشكل كبير.

يوضح الشكل 4 نتائج الموصلية الحرارية للغاليوم النقي وسبائك GaIn (_Ga75In25) وGaInSn (_{Ga68.5In21.5Sn10})، التي تم اختبارها باستخدام حامل العينات السائلة المصنوع من مادة PEEK في نطاق درجات حرارة من 30 درجة مئوية إلى 120 درجة مئوية. ومن الواضح أن صناعة سبائك الغاليوم مع الإنديوم والكاسيتيرن تؤدي إلى انخفاض في الموصلية الحرارية. حيث تؤدي إضافة الإنديوم والكاسيتيرن إلى ظهور مراكز إضافية لتشتت الإلكترونات الحرة في الغاليوم السائل، مما يقصر المسار الحر المتوسط للإلكترون ويخفض الموصلية الحرارية، حيث إن نقل الحرارة في معادن الغاليوم السائلة يهيمن عليه الإلكترونات الحرة [2]. يؤثر تكوين السبيكة (بما في ذلك محتويات الإنديوم والقصدير) بشكل كبير على الموصلية الحرارية، ويوفر القياس الدقيق للموصلية الحرارية أساسًا لفرز المعادن السائلة القائمة على الغاليوم وتحسين تركيبتها.

ملخص

يمكن للمعادن السائلة القائمة على الغاليوم أن تتدفق مثل الماء مع تمتعها بموصلية حرارية واستقرار ممتازين، مما يُظهر إمكانات استثنائية في مجال تبديد الحرارة. يمكن لجهاز قياس التوصيل الحراري ( NETZSCH ) LFA 717 HyperFlash^® ، عند استخدامه مع حامل العينات الخاص بالسوائل المصنوع من مادة PEEK وباستخدام نموذج حسابي مخصص ثلاثي الطبقات، قياس التوصيل الحراري للمعادن السائلة القائمة على الغاليوم بدقة. ويعد هذا الأمر بالغ الأهمية لتقييم قدرة المعادن السائلة على تبديد الحرارة بدقة، وكذلك لتوفير حلول فعالة وموثوقة لإدارة الحرارة.