Edistyksellinen LFA-ratkaisu: galliumpohjaisten nesteiden analysointi

Johdanto

Galliumiin (Ga) perustuvat nestemäiset metallit ovat nousemassa keskeisiksi materiaaleiksi suuritehoisen elektroniikan jäähdytyksessä niiden poikkeuksellisen hyvän sähkönjohtavuuden, lämmönjohtavuuden ja virtausominaisuuksien ansiosta. Lämmönhallinnassa galliumia ja gallium-indium (In)-seoksia voidaan käyttää lämpörajapintamateriaaleina, jotka täyttävät sirujen ja jäähdytyselementtien väliset aukot ja johtavat tehokkaasti pois ydin komponenttien, kuten CPU:iden ja GPU:iden, tuottaman lämmön. Tämä alentaa merkittävästi käyttölämpötiloja ja varmistaa laitteen vakaan toiminnan. Niiden lämmönjohtotehokkuus ylittää huomattavasti lämpövoiteiden ja lämpötyynyjen tehokkuuden. Lisäksi galliumilla ja galliumpohjaisilla seoksilla on erittäin laaja nestemäinen lämpötila-alue (pakkaslämpötiloista yli 2000 °C:een) ja veden lämmönjohtavuutta huomattavasti parempi LämmönjohtavuusLämmönjohtavuus (λ, yksikkö W/(m-K)) kuvaa lämmön muodossa olevan energian kulkeutumista massakappaleen läpi lämpötilagradientin vaikutuksesta (ks. kuva 1). Termodynamiikan toisen lain mukaan lämpö virtaa aina alemman lämpötilan suuntaan.lämmönjohtavuus, mikä tekee niistä erittäin lupaavia konvektiivisia jäähdytysaineita suuritehoisille siruille, ilmailu- ja avaruusteollisuuden sovelluksiin sekä muille aloille.

Ga- ja Ga-In-seosten lämmönjohtavuuden tarkka testaaminen on välttämätöntä niiden turvallisen ja tehokkaan toiminnan varmistamiseksi kriittisissä lämmönhallintasovelluksissa. Laser/Light Flash Analysis (LFA) -menetelmällä voidaan mitata paitsi perinteisten kiinteiden näytteiden lämmönjohtavuutta myös – käyttämällä sopivia näytepidikkeitä ja valitsemalla sopivat laskentamallit – erityisnäytteiden, kuten nesteiden, tahnojen ja jauheiden, lämpödiffuusiokykyä ja laskea siten niiden LämmönjohtavuusLämmönjohtavuus (λ, yksikkö W/(m-K)) kuvaa lämmön muodossa olevan energian kulkeutumista massakappaleen läpi lämpötilagradientin vaikutuksesta (ks. kuva 1). Termodynamiikan toisen lain mukaan lämpö virtaa aina alemman lämpötilan suuntaan.lämmönjohtavuus. Tässä sovellusohjeessa keskitytään menetelmään, jota käytetään julkaisussa ” NETZSCH ” ( LFA 717 HyperFlash^® ) puhtaan Ga:n ja Ga-In-seosnäytteiden lämmönjohtavuuden määrittämiseksi PEEK-nestemäisen näytteenpitimen avulla.

Taulukko 1: Mittausolosuhteet

Mittaustulokset

Kuvassa 1 esitetään puhtaan Ga-näytteen lämpödiffuusiokerroin, ominaislämpökapasiteetti (_{Ominaislämpökapasiteetti (cp)Lämpökapasiteetti on materiaalikohtainen fysikaalinen suure, joka määräytyy näytteeseen syötetyn lämmön määrän ja siitä aiheutuvan lämpötilan nousun perusteella. Ominaislämpökapasiteetti suhteutetaan näytteen massayksikköön.cp}) ja LämmönjohtavuusLämmönjohtavuus (λ, yksikkö W/(m-K)) kuvaa lämmön muodossa olevan energian kulkeutumista massakappaleen läpi lämpötilagradientin vaikutuksesta (ks. kuva 1). Termodynamiikan toisen lain mukaan lämpö virtaa aina alemman lämpötilan suuntaan.lämmönjohtavuus, jotka on mitattu lämpötila-alueella 30 °C – 120 °C. Lämpötilassa 30 °C näytteen lämpödiffuusiokyky oli 11,4 mm²/s ja LämmönjohtavuusLämmönjohtavuus (λ, yksikkö W/(m-K)) kuvaa lämmön muodossa olevan energian kulkeutumista massakappaleen läpi lämpötilagradientin vaikutuksesta (ks. kuva 1). Termodynamiikan toisen lain mukaan lämpö virtaa aina alemman lämpötilan suuntaan.lämmönjohtavuus 26,6 W/(m·K), mikä vastaa kirjallisuudessa raportoituja arvoja [1]. Sekä lämpödiffuusiokyky että LämmönjohtavuusLämmönjohtavuus (λ, yksikkö W/(m-K)) kuvaa lämmön muodossa olevan energian kulkeutumista massakappaleen läpi lämpötilagradientin vaikutuksesta (ks. kuva 1). Termodynamiikan toisen lain mukaan lämpö virtaa aina alemman lämpötilan suuntaan.lämmönjohtavuus kasvavat lämpötilan noustessa. Ominaislämpökapasiteetti (cp)Lämpökapasiteetti on materiaalikohtainen fysikaalinen suure, joka määräytyy näytteeseen syötetyn lämmön määrän ja siitä aiheutuvan lämpötilan nousun perusteella. Ominaislämpökapasiteetti suhteutetaan näytteen massayksikköön.Ominaislämpökapasiteetti (_{Ominaislämpökapasiteetti (cp)Lämpökapasiteetti on materiaalikohtainen fysikaalinen suure, joka määräytyy näytteeseen syötetyn lämmön määrän ja siitä aiheutuvan lämpötilan nousun perusteella. Ominaislämpökapasiteetti suhteutetaan näytteen massayksikköön.cp}) mitattiin käyttäen NETZSCH DSC 300 -laitetta Caliris^®Select . On syytä huomata, että Ga:n ja alumiinin (Al) välisen voimakkaan reaktion vuoksi mittauksessa käytettiin Al₂O₃:lla vuorattua platina (Pt)-upokasta.

PEEK-nestemäisten näytteiden pidike perustuu kolmikerroksiseen malliin. Kokoonpanon jälkeen nestemäiset näytteet voidaan ladata säiliöön – joka koostuu ylä- ja alalevyistä ruostumatonta terästä sekä PEEK-renkaasta – ruiskuttamalla, tiputtamalla tai levittämällä (katso kuva 2). Tätä erityistä näytteenpidintä voidaan käyttää esimerkiksi nesteiden, nestemäisten metallien ja tahnojen testaamiseen.

Tätä pidikettä käytettäessä lämmönjohtavuuden laskemiseen sovelletaan kolmikerroksista mallia. Kuvassa 3 esitetään puhtaan Ga-näytteen lämpötilan nousukäyrä 30 °C:ssa. Kuten kuvasta voidaan havaita, mitattu käyrä (sininen) vastaa mallin mukautettua käyrää (punainen) erittäin hyvin, mikä osoittaa entisestään nesteille tarkoitetulla PEEK-näytteenpitimellä saatujen testitulosten pätevyyden ja tarkkuuden.

Puhtaan galliumin (Ga) Sulamislämpötilat ja lämpöarvotAineen fuusioentalpia, joka tunnetaan myös latenttina lämpönä, on mitta, jolla mitataan energiapanosta, yleensä lämpöä, joka tarvitaan aineen muuttamiseksi kiinteästä olomuodosta nestemäiseksi. Aineen sulamispiste on lämpötila, jossa aine vaihtaa olomuotoaan kiinteästä olomuodosta (kiteinen) nestemäiseksi olomuodoksi (isotrooppinen sula).sulamispiste on noin 29,8 °C. Se pysyy kiinteässä olomuodossa tavallisissa huoneenlämpötilaolosuhteissa, eikä sitä voida käyttää suoraan nestemäisenä lämmönsiirtomateriaalina tai virtaavana käyttöaineena. Lisäämällä galliumiin (Ga) esimerkiksi indiumia (In) ja tinaa (Sn) muodostuu eutektisia seoksia, jotka laskevat sulamispistettä merkittävästi. Esimerkiksi kaupallisesti saatavilla olevan Ga-In-Sn-seoksen, Galinstanin, Sulamislämpötilat ja lämpöarvotAineen fuusioentalpia, joka tunnetaan myös latenttina lämpönä, on mitta, jolla mitataan energiapanosta, yleensä lämpöä, joka tarvitaan aineen muuttamiseksi kiinteästä olomuodosta nestemäiseksi. Aineen sulamispiste on lämpötila, jossa aine vaihtaa olomuotoaan kiinteästä olomuodosta (kiteinen) nestemäiseksi olomuodoksi (isotrooppinen sula).sulamispiste on jopa -19 °C. Tämä tarkoittaa, että se pysyy nestemäisenä useimmissa luonnollisissa ympäristöolosuhteissa, mikä laajentaa sen käyttöalueita huomattavasti.

Kuvassa 4 esitetään puhtaan Ga:n sekä GaIn- (_Ga75In25) ja GaInSn- (_{Ga68,5In21,5Sn10}) seosten lämmönjohtavuustulokset, jotka on mitattu PEEK-nestemäisellä näytteenpitimellä lämpötila-alueella 30 °C – 120 °C. On ilmeistä, että galliumin seostaminen indiumilla ja tinalla johtaa lämmönjohtavuuden laskuun. Indiumin ja tinan lisääminen tuo nestemäiseen galliumiin ylimääräisiä vapaiden elektronien sironta-alueita, mikä lyhentää elektronin keskimääräistä vapaata matkaa ja alentaa lämmönjohtavuutta, sillä lämmönsiirto gallium-nestemetalleissa tapahtuu pääasiassa vapaiden elektronien välityksellä [2]. Seoksen koostumus (mukaan lukien In- ja Sn-pitoisuudet) vaikuttaa merkittävästi lämmönjohtavuuteen, ja lämmönjohtavuuden tarkka mittaaminen tarjoaa perustan galliumpohjaisten nestemäisten metallien seulonnalle ja koostumuksen optimoinnille.

Yhteenveto

Galliumiin perustuvat nestemäiset metallit voivat virrata kuin vesi, ja niillä on samalla erinomainen LämmönjohtavuusLämmönjohtavuus (λ, yksikkö W/(m-K)) kuvaa lämmön muodossa olevan energian kulkeutumista massakappaleen läpi lämpötilagradientin vaikutuksesta (ks. kuva 1). Termodynamiikan toisen lain mukaan lämpö virtaa aina alemman lämpötilan suuntaan.lämmönjohtavuus ja stabiilius, mikä osoittaa niiden poikkeuksellisen potentiaalin lämmönpoiston alalla. NETZSCH -laite LFA 717 HyperFlash^®, yhdistettynä erityiseen PEEK-näytteenpitimeseen nesteille ja käyttäen erityistä kolmikerroksista laskentamallia, pystyy mittaamaan tarkasti galliumipohjaisten nestemetallien lämmönjohtavuuden. Tämä on erittäin tärkeää nestemetallien lämmönpoistokyvyn tarkalle arvioinnille sekä tehokkaiden ja luotettavien lämmönhallintaratkaisujen tarjoamiselle.