Усъвършенствано решение за LFA: Анализ на течности на основата на галий

Въведение

Течните метали на основата на галий (Ga) се налагат като ключови материали в областта на охлаждането на електроника с висока мощност благодарение на изключителната си електропроводимост, топлопроводимост и течливост. При термичното управление галият и сплавите от галий и индий (In) могат да служат като термични интерфейсни материали, запълвайки празнините между чиповете и радиаторите, за да разсейват ефективно топлината, генерирана от основни компоненти като процесори (CPU) и графични процесори (GPU). Това значително намалява работните температури и осигурява стабилна работа на устройствата. Ефективността им при разсейване на топлината далеч надвишава тази на термичните пасти и термичните подложки. Освен това галвийът и сплавите на базата на галвий притежават изключително широк температурен диапазон в течно състояние (от температури под нулата до над 2000 °C) и топлинна проводимост, далеч по-висока от тази на водата, което ги прави многообещаващи конвективни охлаждащи среди за чипове с висока плътност на мощността, приложения в аерокосмическата индустрия и други области.

Точното измерване на топлинната проводимост на галант и галант-индиевите сплави е от съществено значение за осигуряване на тяхната безопасна и ефективна работа в критични приложения за термично управление. Анализът с лазер/светлинна импулсна техника (LFA) не само измерва топлинната проводимост на конвенционални твърди проби, но – при използване на подходящи държатели за проби и избор на подходящи модели за изчисление – може също да измерва топлинната дифузия на специални проби като течности, пасти и прахове, и по този начин да изчисли тяхната топлинна проводимост. Настоящата бележка за приложение се фокусира върху метода, използван от „ NETZSCH “ LFA 717 HyperFlash^® за определяне на топлинната проводимост на проби от чист галиций и галиций-индиеви сплави с помощта на държач за течни проби от PEEK.

Таблица 1: Условия за измерване

Резултати от измерванията

На фигура 1 са показани резултатите за топлинната дифузия, специфичната топлинна мощност (_{Специфичен топлинен капацитет (cp)Топлинният капацитет е физична величина, специфична за материала, която се определя от количеството топлина, подадено на образеца, разделено на полученото увеличение на температурата. Специфичният топлинен капацитет се отнася за единица маса на образеца.cp}) и топлинната проводимост на проба от чист галиций, измерени в температурен диапазон от 30 °C до 120 °C. При 30 °C топлинната дифузия и топлинната проводимост на пробата са съответно 11,4 mm²/s и 26,6 W/(m·K), което съответства на стойностите, посочени в литературата [1]. Както топлинната дифузия, така и топлинната проводимост се увеличават с повишаването на температурата. Специфичната топлинна мощност (_{Специфичен топлинен капацитет (cp)Топлинният капацитет е физична величина, специфична за материала, която се определя от количеството топлина, подадено на образеца, разделено на полученото увеличение на температурата. Специфичният топлинен капацитет се отнася за единица маса на образеца.cp}) беше измерена с помощта на DSC 300 на „ NETZSCH “ Caliris^®Select . Трябва да се отбележи, че поради агресивната реакция между Ga и алуминия (Al) за измерването беше използван платинен (Pt) тигел, облицован с Al₂O₃.

Държателят за течни проби от PEEK е изграден по трислоен модел. След сглобяване течните проби могат да се поставят в контейнера – състоящ се от горни и долни дискове от неръждаема стомана и пръстен от PEEK – чрез инжектиране, добавяне на капки или нанасяне чрез размазване (виж фигура 2). Този специален държач за проби може да се използва за изпитване на проби като течности, течни метали и пасти.

При използването на този държач за изчисляване на топлинната дифузия се прилага трислоен модел. Фигура 3 показва кривата на температурното покачване на пробата от чист галиций при 30 °C. Вижда се, че измерената крива (в синьо) съвпада много добре с кривата, получена чрез моделиране (в червено), което допълнително доказва валидността и точността на резултатите от изпитването, получени при използване на държача за проби от PEEK за течности.

Точката на топене на чистия галиций (Ga) е приблизително 29,8 °C. При типични стайни температури той остава в твърдо състояние и не може да се използва директно като течен термичен интерфейсен материал или течаща работна течност. Добавянето на елементи като индий (In) и калай (Sn) към галиция води до образуването на евтектични сплави, които значително понижават точката на топене. Например, търговската сплав Ga-In-Sn, наречена „Галинстан“, има точка на топене от -19 °C. Това означава, че тя остава в течно състояние при повечето естествени условия на околната среда, което значително разширява обхвата на нейните приложения.

Фигура 4 показва резултатите за топлинната проводимост на чистия Ga и сплавите GaIn (_Ga75In25) и GaInSn (_{Ga68,5In21,5Sn10}), тествани с помощта на държач за течни проби от PEEK при температури от 30 °C до 120 °C. Очевидно е, че легирането на Ga с In и Sn води до намаляване на топлинната проводимост. Добавянето на In и Sn въвежда допълнителни центрове на разсейване на свободните електрони в течния Ga, което съкращава средния свободен път на електрона и понижава топлинната проводимост, тъй като преносът на топлина в течните метали на основата на галий се осъществява предимно от свободните електрони [2]. Съставът на сплавта (включително съдържанието на In и Sn) оказва значително влияние върху топлинната проводимост, а точното измерване на топлинната проводимост предоставя основа за скрининг и оптимизиране на формулировката на течните метали на галиева основа.

Обобщение

Течните метали на базата на галий могат да текат като вода, като същевременно притежават отлична топлопроводимост и стабилност, което показва изключителен потенциал в областта на отвода на топлината. NETZSCH LFA 717 HyperFlash^® , в комбинация със специалния PEEK държач за проби за течности и използвайки специален трислоен изчислителен модел, може точно да измерва топлинната проводимост на течните метали на базата на галий. Това е много важно за точната оценка на способността за разсейване на топлината на течните метали и за предоставянето на ефективни и надеждни решения за термично управление.