Pokročilé řešení LFA: Analýza kapalin na bázi galia

Úvod

Kapalné kovy na bázi galia (Ga) se díky své výjimečné elektrické vodivosti, tepelné vodivosti a tokovým vlastnostem stávají klíčovými materiály v oblasti chlazení vysoce výkonných elektronických zařízení. V oblasti řízení tepla mohou Ga a slitiny Ga s indiem (In) sloužit jako tepelně vodivé materiály, které vyplňují mezery mezi čipy a chladiči a účinně odvádějí teplo generované klíčovými komponenty, jako jsou procesory (CPU) a grafické procesory (GPU). To výrazně snižuje provozní teploty a zajišťuje stabilní provoz zařízení. Jejich účinnost při odvodu tepla daleko převyšuje účinnost tepelných pastí a tepelných podložek. Kromě toho mají Ga a slitiny na bázi Ga extrémně široký teplotní rozsah v kapalném stavu (od teplot pod nulou až po více než 2000 °C) a tepelnou vodivost daleko převyšující vodivost vody, což z nich činí velmi slibná konvekční chladicí média pro čipy s vysokou hustotou výkonu, letecké a kosmické aplikace a další oblasti.

Přesné testování tepelné vodivosti Ga a slitin Ga-In je nezbytné pro zajištění jejich bezpečného a efektivního provozu v kritických aplikacích řízení teploty. Analýza laserovým zábleskem (LFA) nejenže měří tepelnou vodivost běžných pevných vzorků, ale – při použití vhodných držáků vzorků a výběru vhodných výpočetních modelů – dokáže měřit také tepelnou difuzivitu speciálních vzorků, jako jsou kapaliny, pasty a prášky, a na základě toho vypočítat jejich tepelnou vodivost. Tato aplikační poznámka se zaměřuje na metodu používanou v publikaci „ NETZSCH “ ( LFA 717 HyperFlash^® ) k určení tepelné vodivosti vzorků čistého Ga a slitin Ga-In s použitím držáku na kapalné vzorky z materiálu PEEK.

Tabulka 1: Podmínky měření

Výsledky měření

Obrázek 1 znázorňuje výsledky měření tepelné difuzivity, měrné tepelné kapacity (_{Měrná tepelná kapacita (cp)Tepelná kapacita je fyzikální veličina specifická pro daný materiál, která se určuje jako podíl množství tepla dodaného vzorku a výsledného zvýšení teploty. Měrná tepelná kapacita se vztahuje k jednotkové hmotnosti vzorku.cp}) a tepelné vodivosti vzorku čistého Ga v teplotním rozmezí od 30 °C do 120 °C. Při teplotě 30 °C činila Tepelná difuzivitaTepelná difuzivita (a s jednotkou mm2/s) je specifická vlastnost materiálu, která charakterizuje nestacionární vedení tepla. Tato hodnota popisuje, jak rychle materiál reaguje na změnu teploty.tepelná difuzivita vzorku 11,4 mm²/s a Tepelná vodivostTepelná vodivost (λ s jednotkou W/(m-K)) popisuje přenos energie - ve formě tepla - hmotným tělesem v důsledku teplotního gradientu (viz obr. 1). Podle druhého termodynamického zákona teplo vždy proudí ve směru nižší teploty.tepelná vodivost 26,6 W/(m·K), což odpovídá hodnotám uvedeným v literatuře [1]. Jak Tepelná difuzivitaTepelná difuzivita (a s jednotkou mm2/s) je specifická vlastnost materiálu, která charakterizuje nestacionární vedení tepla. Tato hodnota popisuje, jak rychle materiál reaguje na změnu teploty.tepelná difuzivita, tak Tepelná vodivostTepelná vodivost (λ s jednotkou W/(m-K)) popisuje přenos energie - ve formě tepla - hmotným tělesem v důsledku teplotního gradientu (viz obr. 1). Podle druhého termodynamického zákona teplo vždy proudí ve směru nižší teploty.tepelná vodivost se s rostoucí teplotou zvyšují. Měrná tepelná kapacita (cp)Tepelná kapacita je fyzikální veličina specifická pro daný materiál, která se určuje jako podíl množství tepla dodaného vzorku a výsledného zvýšení teploty. Měrná tepelná kapacita se vztahuje k jednotkové hmotnosti vzorku.Měrná tepelná kapacita (_{Měrná tepelná kapacita (cp)Tepelná kapacita je fyzikální veličina specifická pro daný materiál, která se určuje jako podíl množství tepla dodaného vzorku a výsledného zvýšení teploty. Měrná tepelná kapacita se vztahuje k jednotkové hmotnosti vzorku.cp}) byla měřena pomocí přístroje DSC 300 od společnosti NETZSCH Caliris^®Select . Je třeba poznamenat, že vzhledem k agresivní reakci mezi Ga a hliníkem (Al) byl pro měření použit platinový (Pt) kelímek vyložený Al₂O₃.

Držák kapalných vzorků z materiálu PEEK je založen na třívrstvém modelu. Po sestavení lze kapalné vzorky vložit do nádobky – sestávající z horního a spodního disku z nerezové oceli a prstence z materiálu PEEK – vstřikováním, přidáním kapek nebo nanesením (viz obrázek 2). Tento speciální držák vzorků lze použít k testování vzorků, jako jsou kapaliny, tekuté kovy a pasty.

Při použití tohoto držáku se k výpočtu tepelné difuzivity využívá třívrstvý model. Obrázek 3 znázorňuje křivku nárůstu teploty vzorku čistého Ga při teplotě 30 °C. Je patrné, že naměřená křivka (modrá) velmi dobře odpovídá křivce odvozené z modelu (červená), což dále dokládá platnost a přesnost výsledků zkoušek získaných s použitím držáku vzorků z materiálu PEEK pro kapaliny.

Teplota tání čistého Ga je přibližně 29,8 °C. Za běžných podmínek při pokojové teplotě zůstává v pevném skupenství a nelze jej přímo použít jako tekutý materiál pro tepelnou vodivost ani jako tekoucí pracovní médium. Přidáním prvků, jako je indium (In) a cín (Sn), do Ga vznikají eutektické slitiny, které výrazně snižují teplotu tání. Například komerčně dostupná slitina Ga-In-Sn s názvem Galinstan má bod tání pouhých -19 °C. To znamená, že za většiny přirozených podmínek zůstává v kapalném stavu, což výrazně rozšiřuje její spektrum použití.

Obrázek 4 ukazuje výsledky měření tepelné vodivosti pro čistý Ga a slitiny GaIn (_Ga75In25) a GaInSn (_{Ga68,5In21,5Sn10}), testované s použitím držáku kapalných vzorků z PEEK v rozmezí teplot od 30 °C do 120 °C. Je zřejmé, že legování Ga s In a Sn vede ke snížení tepelné vodivosti. Přidání In a Sn zavádí do kapalného Ga další centra rozptylu volných elektronů, čímž se zkracuje střední volná dráha elektronů a snižuje se Tepelná vodivostTepelná vodivost (λ s jednotkou W/(m-K)) popisuje přenos energie - ve formě tepla - hmotným tělesem v důsledku teplotního gradientu (viz obr. 1). Podle druhého termodynamického zákona teplo vždy proudí ve směru nižší teploty.tepelná vodivost, protože přenos tepla v kapalných kovech na bázi galia je ovládán volnými elektrony [2]. Složení slitiny (včetně obsahu In a Sn) významně ovlivňuje tepelnou vodivost a přesné měření tepelné vodivosti poskytuje základ pro screening a optimalizaci složení kapalných kovů na bázi galia.

Shrnutí

Kapalné kovy na bázi galia mohou téct jako voda a zároveň vykazují vynikající tepelnou vodivost a stabilitu, čímž prokazují mimořádný potenciál v oblasti odvodu tepla. NETZSCH LFA 717 HyperFlash^® , ve spojení se speciálním držákem vzorků PEEK pro kapaliny a za použití speciálního třívrstvého výpočetního modelu, dokáže přesně měřit tepelnou vodivost kapalných kovů na bázi galia. To je velmi důležité pro přesné vyhodnocení schopnosti odvodu tepla u kapalných kovů a pro poskytování efektivních a spolehlivých řešení v oblasti řízení tepla.