Soluzione LFA avanzata: analisi di liquidi a base di gallio

Introduzione

I metalli liquidi a base di gallio (Ga) si stanno affermando come materiali fondamentali nel campo del raffreddamento dell’elettronica ad alta potenza grazie alla loro eccezionale Conduttività elettrica (SBA)La conducibilità elettrica è una proprietà fisica che indica la capacità di un materiale di consentire il trasporto di una carica elettrica.conduttività elettrica, Conduttività termicaLa conducibilità termica (λ con unità di misura W/(m-K)) descrive il trasporto di energia - sotto forma di calore - attraverso un corpo di massa come risultato di un gradiente di temperatura (vedi fig. 1). Secondo la seconda legge della termodinamica, il calore fluisce sempre nella direzione della temperatura più bassa.conduttività termica e alle proprietà di fluidità. Nella gestione termica, il Ga e le leghe di Ga-indio (In) possono fungere da materiali di interfaccia termica, riempiendo gli spazi tra i chip e i dissipatori di calore per dissipare in modo efficiente il calore generato dai componenti principali quali CPU e GPU. Ciò riduce significativamente le temperature di funzionamento e garantisce un funzionamento stabile dei dispositivi. La loro efficienza di dissipazione termica supera di gran lunga quella delle paste termiche e dei cuscinetti termici. Inoltre, il Ga e le leghe a base di Ga possiedono un intervallo di temperature allo stato liquido estremamente ampio (da temperature inferiori allo zero a oltre 2000 °C) e una Conduttività termicaLa conducibilità termica (λ con unità di misura W/(m-K)) descrive il trasporto di energia - sotto forma di calore - attraverso un corpo di massa come risultato di un gradiente di temperatura (vedi fig. 1). Secondo la seconda legge della termodinamica, il calore fluisce sempre nella direzione della temperatura più bassa.conduttività termica di gran lunga superiore a quella dell’acqua, il che li rende mezzi di raffreddamento convettivo altamente promettenti per chip ad alta densità di potenza, applicazioni aerospaziali e altri settori.

Test accurati della Conduttività termicaLa conducibilità termica (λ con unità di misura W/(m-K)) descrive il trasporto di energia - sotto forma di calore - attraverso un corpo di massa come risultato di un gradiente di temperatura (vedi fig. 1). Secondo la seconda legge della termodinamica, il calore fluisce sempre nella direzione della temperatura più bassa.conduttività termica del Ga e delle leghe Ga-In sono essenziali per garantire il loro funzionamento sicuro ed efficiente in applicazioni critiche di gestione termica. L’analisi laser/flash ottico (LFA) non solo misura la Conduttività termicaLa conducibilità termica (λ con unità di misura W/(m-K)) descrive il trasporto di energia - sotto forma di calore - attraverso un corpo di massa come risultato di un gradiente di temperatura (vedi fig. 1). Secondo la seconda legge della termodinamica, il calore fluisce sempre nella direzione della temperatura più bassa.conduttività termica di campioni solidi convenzionali ma – utilizzando appositi supporti per campioni e selezionando modelli di calcolo adeguati – è in grado di misurare anche la Diffusività termicaLa diffusività termica (a con unità di misura mm2/s) è una proprietà specifica del materiale per caratterizzare la conduzione termica instabile. Questo valore descrive la velocità con cui un materiale reagisce a una variazione di temperatura.diffusività termica di campioni speciali quali liquidi, paste e polveri, calcolandone così la Conduttività termicaLa conducibilità termica (λ con unità di misura W/(m-K)) descrive il trasporto di energia - sotto forma di calore - attraverso un corpo di massa come risultato di un gradiente di temperatura (vedi fig. 1). Secondo la seconda legge della termodinamica, il calore fluisce sempre nella direzione della temperatura più bassa.conduttività termica. La presente nota applicativa si concentra sul metodo utilizzato dall’ NETZSCH LFA 717 HyperFlash^® per determinare la conducibilità termica di campioni di Ga puro e di leghe Ga-In utilizzando un supporto per campioni liquidi in PEEK.

Tabella 1: Condizioni di misurazione

Risultati delle misurazioni

La figura 1 mostra i risultati relativi alla Diffusività termicaLa diffusività termica (a con unità di misura mm2/s) è una proprietà specifica del materiale per caratterizzare la conduzione termica instabile. Questo valore descrive la velocità con cui un materiale reagisce a una variazione di temperatura.diffusività termica, alla Capacità termica specifica (cp)La capacità termica è una grandezza fisica specifica del materiale, determinata dalla quantità di calore fornita al campione, divisa per l'aumento di temperatura risultante. La capacità termica specifica è correlata all'unità di massa del campione. capacità termica specifica (_{Capacità termica specifica (cp)La capacità termica è una grandezza fisica specifica del materiale, determinata dalla quantità di calore fornita al campione, divisa per l'aumento di temperatura risultante. La capacità termica specifica è correlata all'unità di massa del campione.cp}) e alla conducibilità termica di un campione di Ga puro, misurati in un intervallo di temperatura compreso tra 30 °C e 120 °C. A 30 °C, la Diffusività termicaLa diffusività termica (a con unità di misura mm2/s) è una proprietà specifica del materiale per caratterizzare la conduzione termica instabile. Questo valore descrive la velocità con cui un materiale reagisce a una variazione di temperatura.diffusività termica e la conducibilità termica del campione ammontavano rispettivamente a 11,4 mm²/s e 26,6 W/(m·K), valori coerenti con quelli riportati in letteratura [1]. Sia la Diffusività termicaLa diffusività termica (a con unità di misura mm2/s) è una proprietà specifica del materiale per caratterizzare la conduzione termica instabile. Questo valore descrive la velocità con cui un materiale reagisce a una variazione di temperatura.diffusività termica che la conducibilità termica aumentano all’aumentare della temperatura. La Capacità termica specifica (cp)La capacità termica è una grandezza fisica specifica del materiale, determinata dalla quantità di calore fornita al campione, divisa per l'aumento di temperatura risultante. La capacità termica specifica è correlata all'unità di massa del campione. capacità termica specifica (_{Capacità termica specifica (cp)La capacità termica è una grandezza fisica specifica del materiale, determinata dalla quantità di calore fornita al campione, divisa per l'aumento di temperatura risultante. La capacità termica specifica è correlata all'unità di massa del campione.cp}) è stata misurata utilizzando un DSC 300 di NETZSCH Caliris^®Select . Va notato che, a causa della reazione aggressiva tra il Ga e l’alluminio (Al), per la misurazione è stato utilizzato un crogiolo di platino (Pt) rivestito con Al₂O₃.

Il portacampioni per liquidi in PEEK si basa su un modello a tre strati. Una volta assemblato, il contenitore – composto da dischi superiori e inferiori in acciaio inossidabile e da un anello in PEEK – può essere riempito con campioni liquidi tramite iniezione, aggiunta di gocce o spalmatura (vedi Figura 2). Questo speciale portacampioni può essere utilizzato per testare campioni quali liquidi, metalli liquidi e paste.

Quando si utilizza questo supporto, per calcolare la Diffusività termicaLa diffusività termica (a con unità di misura mm2/s) è una proprietà specifica del materiale per caratterizzare la conduzione termica instabile. Questo valore descrive la velocità con cui un materiale reagisce a una variazione di temperatura.diffusività termica viene impiegato un modello a tre strati. La Figura 3 mostra la curva di aumento della temperatura del campione di Ga puro a 30 °C. Si può notare che la curva misurata (in blu) corrisponde molto bene alla curva ottenuta dall’adattamento del modello (in rosso), a ulteriore dimostrazione della validità e dell’accuratezza dei risultati delle prove ottenuti utilizzando il supporto per campioni in PEEK per liquidi.

Il Temperature di fusione ed entalpieL'entalpia di fusione di una sostanza, nota anche come calore latente, è una misura dell'apporto di energia, tipicamente calore, necessario per convertire una sostanza dallo stato solido a quello liquido. Il punto di fusione di una sostanza è la temperatura alla quale essa cambia stato da solido (cristallino) a liquido (fusione isotropa).punto di fusione del Ga puro è di circa 29,8 °C. Esso rimane allo stato solido in condizioni tipiche di temperatura ambiente e non può essere utilizzato direttamente come materiale di interfaccia termica liquido o come fluido di lavoro scorrevole. L’aggiunta di elementi quali l’indio (In) e lo stagno (Sn) al Ga forma leghe eutettiche che abbassano significativamente il Temperature di fusione ed entalpieL'entalpia di fusione di una sostanza, nota anche come calore latente, è una misura dell'apporto di energia, tipicamente calore, necessario per convertire una sostanza dallo stato solido a quello liquido. Il punto di fusione di una sostanza è la temperatura alla quale essa cambia stato da solido (cristallino) a liquido (fusione isotropa).punto di fusione. Ad esempio, la lega commerciale Ga-In-Sn denominata Galinstan ha un Temperature di fusione ed entalpieL'entalpia di fusione di una sostanza, nota anche come calore latente, è una misura dell'apporto di energia, tipicamente calore, necessario per convertire una sostanza dallo stato solido a quello liquido. Il punto di fusione di una sostanza è la temperatura alla quale essa cambia stato da solido (cristallino) a liquido (fusione isotropa).punto di fusione che scende fino a -19 °C. Ciò significa che rimane liquida nella maggior parte delle condizioni ambientali naturali, ampliando notevolmente il suo campo di applicazione.

La Figura 4 mostra i risultati relativi alla Conduttività termicaLa conducibilità termica (λ con unità di misura W/(m-K)) descrive il trasporto di energia - sotto forma di calore - attraverso un corpo di massa come risultato di un gradiente di temperatura (vedi fig. 1). Secondo la seconda legge della termodinamica, il calore fluisce sempre nella direzione della temperatura più bassa.conduttività termica del Ga puro e delle leghe GaIn (_Ga75In25) e GaInSn (_{Ga68,5In21,5Sn10}), testate utilizzando il portacampioni liquido in PEEK a temperature comprese tra 30 °C e 120 °C. È evidente che la lega di Ga con In e Sn comporta una diminuzione della Conduttività termicaLa conducibilità termica (λ con unità di misura W/(m-K)) descrive il trasporto di energia - sotto forma di calore - attraverso un corpo di massa come risultato di un gradiente di temperatura (vedi fig. 1). Secondo la seconda legge della termodinamica, il calore fluisce sempre nella direzione della temperatura più bassa.conduttività termica. L’aggiunta di In e Sn introduce ulteriori centri di diffusione degli elettroni liberi nel Ga liquido, accorciando il percorso libero medio degli elettroni e riducendo la Conduttività termicaLa conducibilità termica (λ con unità di misura W/(m-K)) descrive il trasporto di energia - sotto forma di calore - attraverso un corpo di massa come risultato di un gradiente di temperatura (vedi fig. 1). Secondo la seconda legge della termodinamica, il calore fluisce sempre nella direzione della temperatura più bassa.conduttività termica, poiché il trasporto di calore nei metalli liquidi a base di gallio è dominato dagli elettroni liberi [2]. La composizione della lega (compresi i tenori di In e Sn) influisce in modo significativo sulla Conduttività termicaLa conducibilità termica (λ con unità di misura W/(m-K)) descrive il trasporto di energia - sotto forma di calore - attraverso un corpo di massa come risultato di un gradiente di temperatura (vedi fig. 1). Secondo la seconda legge della termodinamica, il calore fluisce sempre nella direzione della temperatura più bassa.conduttività termica, e una misurazione accurata di tale parametro costituisce la base per la selezione e l’ottimizzazione della formulazione dei metalli liquidi a base di gallio.

Sintesi

I metalli liquidi a base di gallio sono in grado di scorrere come l’acqua, pur possedendo un’eccellente Conduttività termicaLa conducibilità termica (λ con unità di misura W/(m-K)) descrive il trasporto di energia - sotto forma di calore - attraverso un corpo di massa come risultato di un gradiente di temperatura (vedi fig. 1). Secondo la seconda legge della termodinamica, il calore fluisce sempre nella direzione della temperatura più bassa.conduttività termica e stabilità, dimostrando uno straordinario potenziale nel campo della dissipazione del calore. L'NETZSCH LFA 717 HyperFlash^® , abbinato allo speciale portacampioni in PEEK per liquidi e utilizzando un modello di calcolo dedicato a tre strati, è in grado di misurare con precisione la conducibilità termica dei metalli liquidi a base di gallio. Ciò è molto importante per valutare con precisione la capacità di dissipazione del calore dei metalli liquidi e fornire soluzioni di gestione termica efficienti e affidabili.