Προηγμένη λύση LFA: Ανάλυση υγρών με βάση το γάλλιο

Εισαγωγή

Τα υγρά μέταλλα με βάση το γαλλίου (Ga) αναδεικνύονται ως βασικά υλικά στον τομέα της ψύξης ηλεκτρονικών συσκευών υψηλής ισχύος, χάρη στην εξαιρετική ηλεκτρική αγωγιμότητα, τη θερμική αγωγιμότητα και τις ιδιότητες ροής τους. Στη διαχείριση της θερμότητας, το Ga και τα κράματα Ga-ινδίου (In) μπορούν να χρησιμεύσουν ως υλικά θερμικής διεπαφής, γεμίζοντας τα κενά μεταξύ των τσιπ και των ψύκτρων για την αποτελεσματική απαγωγή της θερμότητας που παράγεται από βασικά εξαρτήματα όπως οι CPU και οι GPU. Αυτό μειώνει σημαντικά τις θερμοκρασίες λειτουργίας και εξασφαλίζει τη σταθερή λειτουργία των συσκευών. Η απόδοσή τους στην απαγωγή θερμότητας υπερβαίνει κατά πολύ εκείνη της θερμικής πάστας και των θερμικών επιθεμάτων. Επιπλέον, το Ga και τα κράματα με βάση το Ga διαθέτουν ένα εξαιρετικά ευρύ φάσμα θερμοκρασιών υγρής κατάστασης (από θερμοκρασίες κάτω του μηδενός έως πάνω από 2000 °C) και θερμική αγωγιμότητα κατά πολύ ανώτερη από εκείνη του νερού, γεγονός που τα καθιστά ιδιαίτερα ελπιδοφόρα μέσα ψύξης μέσω μεταφοράς για τσιπ υψηλής πυκνότητας ισχύος, αεροδιαστημικές εφαρμογές και άλλους τομείς.

Η ακριβής μέτρηση της θερμικής αγωγιμότητας του Ga και των κραμάτων Ga-In είναι απαραίτητη για τη διασφάλιση της ασφαλούς και αποδοτικής λειτουργίας τους σε κρίσιμες εφαρμογές διαχείρισης θερμότητας. Η ανάλυση με λέιζερ/φλας φωτός (LFA) όχι μόνο μετρά τη θερμική αγωγιμότητα συμβατικών στερεών δειγμάτων, αλλά – όταν χρησιμοποιούνται κατάλληλοι συγκρατητήρες δειγμάτων και επιλέγονται κατάλληλα μοντέλα υπολογισμού – μπορεί επίσης να μετρήσει τη θερμική διαχυτότητα ειδικών δειγμάτων, όπως υγρά, πάστες και σκόνες, και έτσι να υπολογίσει τη θερμική αγωγιμότητά τους. Η παρούσα Σημείωση Εφαρμογής επικεντρώνεται στη μέθοδο που χρησιμοποιείται από το σύστημα ανάλυσης με λέιζερ/φλας φωτός ( NETZSCH ) LFA 717 HyperFlash^® για τον προσδιορισμό της θερμικής αγωγιμότητας δειγμάτων καθαρού Ga και κραμάτων Ga-In, χρησιμοποιώντας έναν κάτοχο υγρών δειγμάτων από PEEK.

Πίνακας 1: Συνθήκες μέτρησης

Αποτελέσματα μετρήσεων

Το Σχήμα 1 παρουσιάζει τα αποτελέσματα για τη θερμική διαχυτότητα, την ειδική θερμοχωρητικότητα (_{Ειδική θερμοχωρητικότητα (cp)Η θερμοχωρητικότητα είναι ένα φυσικό μέγεθος ειδικό για κάθε υλικό, το οποίο καθορίζεται από την ποσότητα θερμότητας που παρέχεται στο δείγμα, διαιρούμενη με την προκύπτουσα αύξηση της θερμοκρασίας. Η ειδική θερμοχωρητικότητα σχετίζεται με τη μονάδα μάζας του δείγματος.cp}) και τη θερμική αγωγιμότητα ενός δείγματος καθαρού Ga, τα οποία μετρήθηκαν σε εύρος θερμοκρασιών από 30 °C έως 120 °C. Στους 30 °C, η θερμική διαχυτότητα και η θερμική αγωγιμότητα του δείγματος ανήλθαν σε 11,4 mm²/s και 26,6 W/(m·K) αντίστοιχα, τιμές που συνάδουν με αυτές που αναφέρονται στη βιβλιογραφία [1]. Τόσο η θερμική διαχυτότητα όσο και η θερμική αγωγιμότητα αυξάνονται με την άνοδο της θερμοκρασίας. Η ειδική θερμοχωρητικότητα (_{Ειδική θερμοχωρητικότητα (cp)Η θερμοχωρητικότητα είναι ένα φυσικό μέγεθος ειδικό για κάθε υλικό, το οποίο καθορίζεται από την ποσότητα θερμότητας που παρέχεται στο δείγμα, διαιρούμενη με την προκύπτουσα αύξηση της θερμοκρασίας. Η ειδική θερμοχωρητικότητα σχετίζεται με τη μονάδα μάζας του δείγματος.cp}) μετρήθηκε με τη χρήση ενός DSC 300 της εταιρείας NETZSCH Caliris^®Select . Πρέπει να σημειωθεί ότι, λόγω της έντονης αντίδρασης μεταξύ του Ga και του αλουμινίου (Al), για τη μέτρηση χρησιμοποιήθηκε χωνευτήρι πλατίνας (Pt) με επένδυση από Al₂O₃.

Ο κάτοχος υγρών δειγμάτων από PEEK βασίζεται σε μοντέλο τριών στρωμάτων. Μετά τη συναρμολόγηση, τα υγρά δείγματα μπορούν να τοποθετηθούν στο δοχείο – το οποίο αποτελείται από άνω και κάτω δίσκους από ανοξείδωτο χάλυβα και ένα δακτύλιο από PEEK – μέσω έγχυσης, προσθήκης σταγονιδίων ή επάλειψης (βλ. Εικόνα 2). Αυτός ο ειδικός κάτοχος δειγμάτων μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τη δοκιμή δειγμάτων όπως υγρά, υγρά μέταλλα και πάστες.

Κατά τη χρήση αυτής της βάσης, χρησιμοποιείται ένα μοντέλο τριών στρωμάτων για τον υπολογισμό της θερμικής διαχυτότητας. Το Σχήμα 3 παρουσιάζει την καμπύλη αύξησης της θερμοκρασίας του δείγματος καθαρού Ga στους 30 °C. Όπως φαίνεται, η καμπύλη των μετρήσεων (μπλε) ταιριάζει πολύ καλά με την καμπύλη προσαρμογής του μοντέλου (κόκκινη), αποδεικνύοντας περαιτέρω την εγκυρότητα και την ακρίβεια των αποτελεσμάτων των δοκιμών που ελήφθησαν με τη χρήση της βάσης δειγμάτων PEEK για υγρά.

Το σημείο τήξης του καθαρού Ga είναι περίπου 29,8 °C. Παραμένει σε στερεή κατάσταση υπό τυπικές συνθήκες θερμοκρασίας δωματίου και δεν μπορεί να χρησιμοποιηθεί άμεσα ως υγρό υλικό θερμικής διασύνδεσης ή ως ρευστό μέσο λειτουργίας. Η προσθήκη στοιχείων όπως το In και ο κασσίτερος (Sn) στο Ga σχηματίζει ευτηκτικά κράματα που μειώνουν σημαντικά το σημείο τήξης. Για παράδειγμα, το εμπορικό κράμα Ga-In-Sn, το Galinstan, έχει σημείο τήξης τόσο χαμηλό όσο -19 °C. Αυτό σημαίνει ότι παραμένει σε υγρή κατάσταση υπό τις περισσότερες φυσικές περιβαλλοντικές συνθήκες, διευρύνοντας σημαντικά το φάσμα των εφαρμογών του.

Το Σχήμα 4 παρουσιάζει τα αποτελέσματα θερμικής αγωγιμότητας για το καθαρό Ga και τα κράματα GaIn (_Ga75In25) και GaInSn (_{Ga68,5In21,5Sn10}), τα οποία δοκιμάστηκαν χρησιμοποιώντας τον υγρό κάτοχο δειγμάτων PEEK σε θερμοκρασίες από 30 °C έως 120 °C. Είναι προφανές ότι η ανάμιξη του Ga με In και Sn οδηγεί σε μείωση της θερμικής αγωγιμότητας. Η προσθήκη In και Sn εισάγει επιπλέον κέντρα σκέδασης ελεύθερων ηλεκτρονίων στο υγρό Ga, συντομεύοντας τη μέση ελεύθερη διαδρομή των ηλεκτρονίων και μειώνοντας τη θερμική αγωγιμότητα, καθώς η μεταφορά θερμότητας στα υγρά μέταλλα γαλλίου κυριαρχείται από τα ελεύθερα ηλεκτρόνια [2]. Η σύνθεση του κράματος (συμπεριλαμβανομένης της περιεκτικότητας σε In και Sn) επηρεάζει σημαντικά τη θερμική αγωγιμότητα, ενώ η ακριβής μέτρηση της θερμικής αγωγιμότητας αποτελεί τη βάση για την αξιολόγηση και τη βελτιστοποίηση της σύνθεσης των υγρών μετάλλων με βάση το γαλλίου.

Περίληψη

Τα υγρά μέταλλα με βάση το γάλλιο μπορούν να ρέουν όπως το νερό, ενώ διαθέτουν εξαιρετική θερμική αγωγιμότητα και σταθερότητα, παρουσιάζοντας εξαιρετικές δυνατότητες στον τομέα της απαγωγής θερμότητας. Το σύστημα μέτρησης θερμικής αγωγιμότητας NETZSCH LFA 717 HyperFlash^® , σε συνδυασμό με τον ειδικό κάτοχο δειγμάτων PEEK για υγρά και χρησιμοποιώντας ένα ειδικό μοντέλο υπολογισμού τριών στρωμάτων, μπορεί να μετρήσει με ακρίβεια τη θερμική αγωγιμότητα των υγρών μετάλλων με βάση το γαλλίου. Αυτό είναι πολύ σημαντικό για την ακριβή αξιολόγηση της ικανότητας απαγωγής θερμότητας των υγρών μετάλλων και για την περαιτέρω παροχή αποτελεσματικών και αξιόπιστων λύσεων θερμικής διαχείρισης.