Avanceret LFA-løsning: Analyse af galliumbaserede væsker

Indledning

Gallium (Ga)-baserede flydende metaller er ved at blive centrale materialer inden for køling af højtydende elektronik på grund af deres enestående elektriske ledningsevne, Termisk ledningsevneVarmeledningsevne (λ med enheden W/(m-K)) beskriver transporten af energi - i form af varme - gennem et masselegeme som følge af en temperaturgradient (se fig. 1). Ifølge termodynamikkens anden lov strømmer varmen altid i retning af den laveste temperatur.varmeledningsevne og strømningsegenskaber. Inden for termisk styring kan Ga og Ga-indium (In)-legeringer fungere som termiske grænsefladematerialer, der udfylder mellemrummene mellem chips og kølelegemer for effektivt at aflede varme genereret af kernekomponenter såsom CPU'er og GPU'er. Dette reducerer driftstemperaturerne betydeligt og sikrer stabil drift af enhederne. Deres varmeafledningseffektivitet overstiger langt den, der opnås med termisk fedt og termiske puder. Desuden har Ga og Ga-baserede legeringer et ekstremt bredt flydende temperaturområde (fra temperaturer under frysepunktet til over 2000 °C) og en Termisk ledningsevneVarmeledningsevne (λ med enheden W/(m-K)) beskriver transporten af energi - i form af varme - gennem et masselegeme som følge af en temperaturgradient (se fig. 1). Ifølge termodynamikkens anden lov strømmer varmen altid i retning af den laveste temperatur.varmeledningsevne, der er langt bedre end vandets, hvilket gør dem til meget lovende konvektive kølemidler til chips med høj effekttæthed, anvendelser inden for rumfart og andre områder.

Nøjagtig testning af varmeledningsevnen for Ga og Ga-In-legeringer er afgørende for at sikre deres sikre og effektive drift i kritiske applikationer inden for termisk styring. Laser/Light Flash-analyse (LFA) måler ikke blot varmeledningsevnen for konventionelle faste prøver, men kan – ved brug af passende prøveholdere og valg af egnede beregningsmodeller – også måle varmediffusionskoefficienten for specielle prøver såsom væsker, pastaer og pulvere og derved beregne deres Termisk ledningsevneVarmeledningsevne (λ med enheden W/(m-K)) beskriver transporten af energi - i form af varme - gennem et masselegeme som følge af en temperaturgradient (se fig. 1). Ifølge termodynamikkens anden lov strømmer varmen altid i retning af den laveste temperatur.varmeledningsevne. Denne anvendelsesnote fokuserer på den metode, der anvendes af NETZSCH LFA 717 HyperFlash^® til at bestemme varmeledningsevnen for prøver af rent Ga og Ga-In-legeringer ved hjælp af en PEEK-væskeprøveholder.

Tabel 1: Målebetingelser

Måleresultater

Figur 1 viser resultaterne for Termisk diffusivitetTermisk diffusivitet (a med enheden mm2/s) er en materialespecifik egenskab til karakterisering af ustabil varmeledning. Denne værdi beskriver, hvor hurtigt et materiale reagerer på en temperaturændring.termisk diffusivitet, Specifik varmekapacitet (cp)Varmekapacitet er en materialespecifik fysisk størrelse, der bestemmes af den mængde varme, der tilføres prøven, divideret med den resulterende temperaturstigning. Den specifikke varmekapacitet er relateret til en masseenhed af prøven.specifik varmekapacitet (_{Specifik varmekapacitet (cp)Varmekapacitet er en materialespecifik fysisk størrelse, der bestemmes af den mængde varme, der tilføres prøven, divideret med den resulterende temperaturstigning. Den specifikke varmekapacitet er relateret til en masseenhed af prøven.cp}) og Termisk ledningsevneVarmeledningsevne (λ med enheden W/(m-K)) beskriver transporten af energi - i form af varme - gennem et masselegeme som følge af en temperaturgradient (se fig. 1). Ifølge termodynamikkens anden lov strømmer varmen altid i retning af den laveste temperatur.varmeledningsevne for en ren Ga-prøve, målt i et temperaturområde fra 30 °C til 120 °C. Ved 30 °C udgjorde prøvens termiske diffusivitet og Termisk ledningsevneVarmeledningsevne (λ med enheden W/(m-K)) beskriver transporten af energi - i form af varme - gennem et masselegeme som følge af en temperaturgradient (se fig. 1). Ifølge termodynamikkens anden lov strømmer varmen altid i retning af den laveste temperatur.varmeledningsevne henholdsvis 11,4 mm²/s og 26,6 W/(m·K), hvilket stemmer overens med de værdier, der er rapporteret i litteraturen [1]. Både den termiske diffusivitet og varmeledningsevnen stiger med stigende temperatur. Den specifikke varmekapacitet (_{Specifik varmekapacitet (cp)Varmekapacitet er en materialespecifik fysisk størrelse, der bestemmes af den mængde varme, der tilføres prøven, divideret med den resulterende temperaturstigning. Den specifikke varmekapacitet er relateret til en masseenhed af prøven.cp}) blev målt ved hjælp af en DSC 300 fra NETZSCH Caliris^® Select . Det skal bemærkes, at der på grund af den aggressive reaktion mellem Ga og aluminium (Al) blev anvendt en platin (Pt)-digel foret med Al₂O₃ til målingen.

PEEK-væskeprøveholderen er baseret på en trelagsmodel. Efter samling kan væskeprøver fyldes i beholderen – der består af en øvre og en nedre skive af rustfrit stål samt en PEEK-ring – ved hjælp af injektion, dråbetilsætning eller påsmøring (se figur 2). Denne specielle prøveholder kan anvendes til at teste prøver såsom væsker, flydende metaller og pastaer.

Ved anvendelse af denne holder benyttes en trelagsmodel til beregning af den termiske diffusivitet. Figur 3 viser temperaturstigningskurven for den rene Ga-prøve ved 30 °C. Det kan ses, at den målte kurve (blå) stemmer meget godt overens med den modeltilpassede kurve (rød), hvilket yderligere underbygger gyldigheden og nøjagtigheden af de testresultater, der er opnået ved brug af PEEK-prøveholderen til væsker.

Smeltepunktet for rent Ga er ca. 29,8 °C. Det forbliver i fast tilstand ved normale stuetemperaturforhold og kan ikke anvendes direkte som et flydende termisk grænseflademateriale eller som et flydende arbejdsmedium. Ved at tilsætte grundstoffer som In og tin (Sn) til Ga dannes der eutektiske legeringer, der sænker smeltepunktet betydeligt. For eksempel har den kommercielle Ga-In-Sn-legering Galinstan et Smeltetemperaturer og entalpierEt stofs fusionsenthalpi, også kendt som latent varme, er et mål for den energitilførsel, typisk varme, der er nødvendig for at omdanne et stof fra fast til flydende tilstand. Et stofs smeltepunkt er den temperatur, hvor det skifter tilstand fra fast (krystallinsk) til flydende (isotropisk smelte).smeltepunkt på helt ned til -19 °C. Det betyder, at den forbliver flydende under de fleste naturlige miljøforhold, hvilket i høj grad udvider dens anvendelsesmuligheder.

Figur 4 viser resultaterne for varmeledningsevnen for rent Ga samt legeringerne GaIn (_Ga75In25) og GaInSn (_{Ga68,5In21,5Sn10}), testet ved hjælp af en PEEK-væskeprøveholder ved temperaturer fra 30 °C til 120 °C. Det fremgår tydeligt, at legering af Ga med In og Sn medfører et fald i varmeledningsevnen. Tilsætningen af In og Sn indfører yderligere spredningscentre for frie elektroner i flydende Ga, hvilket forkorter elektronernes gennemsnitlige frie vejlængde og sænker varmeledningsevnen, da varmetransporten i flydende galliummetaller domineres af frie elektroner [2]. En legeringssammensætning (herunder indholdet af In og Sn) har en betydelig indflydelse på varmeledningsevnen, og nøjagtig måling af varmeledningsevnen danner grundlag for screening og optimering af sammensætningen af galliumbaserede flydende metaller.

Resumé

Flydende metaller baseret på gallium kan flyde som vand og har samtidig fremragende varmeledningsevne og stabilitet, hvilket viser et ekstraordinært potentiale inden for varmeafledning. NETZSCH LFA 717 HyperFlash^® , kombineret med den specielle PEEK-prøveholder til væsker og ved hjælp af en dedikeret trelags beregningsmodel, kan nøjagtigt måle varmeledningsevnen for galliumbaserede flydende metaller. Dette er meget vigtigt for nøjagtigt at kunne vurdere flydende metallers varmeafledningsevne og dermed kunne levere effektive og pålidelige løsninger til termisk styring.