Geavanceerde LFA-oplossing: analyse van vloeistoffen op basis van gallium

Inleiding

Vloeibare metalen op basis van gallium (Ga) ontwikkelen zich tot belangrijke materialen op het gebied van de koeling van hoogvermogenelektronica dankzij hun uitzonderlijke Elektrisch geleidingsvermogen (SBA)Elektrische geleidbaarheid is een fysische eigenschap die het vermogen van een materiaal aangeeft om het transport van een elektrische lading mogelijk te maken.elektrische geleidbaarheid, Thermische geleidbaarheidThermische geleidbaarheid (λ met de eenheid W/(m-K)) beschrijft het transport van energie - in de vorm van warmte - door een massa-lichaam als gevolg van een temperatuurgradiënt (zie fig. 1). Volgens de tweede wet van de thermodynamica stroomt warmte altijd in de richting van de lagere temperatuur.thermische geleidbaarheid en vloei-eigenschappen. Op het gebied van thermisch beheer kunnen Ga en Ga-indium (In)-legeringen dienen als thermische interfacematerialen, die de openingen tussen chips en koellichamen opvullen om de warmte die wordt gegenereerd door kerncomponenten zoals CPU's en GPU's efficiënt af te voeren. Dit verlaagt de bedrijfstemperaturen aanzienlijk en zorgt voor een stabiele werking van de apparaten. Hun warmteafvoerefficiëntie overtreft die van thermische pasta en thermische pads ruimschoots. Bovendien beschikken Ga en op Ga gebaseerde legeringen over een extreem breed vloeibaar temperatuurbereik (van temperaturen onder het vriespunt tot meer dan 2000 °C) en een warmtegeleidbaarheid die ver superieur is aan die van water, waardoor ze zeer veelbelovende convectieve koelmedia zijn voor chips met een hoge vermogensdichtheid, toepassingen in de lucht- en ruimtevaart en andere gebieden.

Nauwkeurige metingen van de Thermische geleidbaarheidThermische geleidbaarheid (λ met de eenheid W/(m-K)) beschrijft het transport van energie - in de vorm van warmte - door een massa-lichaam als gevolg van een temperatuurgradiënt (zie fig. 1). Volgens de tweede wet van de thermodynamica stroomt warmte altijd in de richting van de lagere temperatuur.thermische geleidbaarheid van Ga en Ga-In-legeringen zijn essentieel om een veilige en efficiënte werking ervan te garanderen in kritische toepassingen voor thermisch beheer. Laser/Light Flash Analysis (LFA) meet niet alleen de Thermische geleidbaarheidThermische geleidbaarheid (λ met de eenheid W/(m-K)) beschrijft het transport van energie - in de vorm van warmte - door een massa-lichaam als gevolg van een temperatuurgradiënt (zie fig. 1). Volgens de tweede wet van de thermodynamica stroomt warmte altijd in de richting van de lagere temperatuur.thermische geleidbaarheid van conventionele vaste monsters, maar kan – bij gebruik van geschikte monsterhouders en de selectie van passende rekenmodellen – ook de thermische diffusiviteit van speciale monsters zoals vloeistoffen, pasta’s en poeders meten, en zo hun Thermische geleidbaarheidThermische geleidbaarheid (λ met de eenheid W/(m-K)) beschrijft het transport van energie - in de vorm van warmte - door een massa-lichaam als gevolg van een temperatuurgradiënt (zie fig. 1). Volgens de tweede wet van de thermodynamica stroomt warmte altijd in de richting van de lagere temperatuur.thermische geleidbaarheid berekenen. Deze toepassingsnota richt zich op de methode die door de NETZSCH LFA 717 HyperFlash^® wordt gebruikt om de Thermische geleidbaarheidThermische geleidbaarheid (λ met de eenheid W/(m-K)) beschrijft het transport van energie - in de vorm van warmte - door een massa-lichaam als gevolg van een temperatuurgradiënt (zie fig. 1). Volgens de tweede wet van de thermodynamica stroomt warmte altijd in de richting van de lagere temperatuur.thermische geleidbaarheid van monsters van zuiver Ga en Ga-In-legeringen te bepalen met behulp van een PEEK-monsterhouder voor vloeistoffen.

Tabel 1: Meetomstandigheden

Meetresultaten

Figuur 1 toont de resultaten voor de thermische diffusiviteit, de Specifieke warmtecapaciteit (cp)Warmtecapaciteit is een materiaalspecifieke fysische grootheid, bepaald door de hoeveelheid warmte die aan een proefstuk wordt toegevoerd, gedeeld door de resulterende temperatuurstijging. De specifieke warmtecapaciteit is gerelateerd aan een massa-eenheid van het proefstuk.specifieke warmtecapaciteit (_{Specifieke warmtecapaciteit (cp)Warmtecapaciteit is een materiaalspecifieke fysische grootheid, bepaald door de hoeveelheid warmte die aan een proefstuk wordt toegevoerd, gedeeld door de resulterende temperatuurstijging. De specifieke warmtecapaciteit is gerelateerd aan een massa-eenheid van het proefstuk.cp}) en de Thermische geleidbaarheidThermische geleidbaarheid (λ met de eenheid W/(m-K)) beschrijft het transport van energie - in de vorm van warmte - door een massa-lichaam als gevolg van een temperatuurgradiënt (zie fig. 1). Volgens de tweede wet van de thermodynamica stroomt warmte altijd in de richting van de lagere temperatuur.thermische geleidbaarheid van een zuiver Ga-monster, gemeten over een temperatuurbereik van 30 °C tot 120 °C. Bij 30 °C bedroegen de thermische diffusiviteit en de Thermische geleidbaarheidThermische geleidbaarheid (λ met de eenheid W/(m-K)) beschrijft het transport van energie - in de vorm van warmte - door een massa-lichaam als gevolg van een temperatuurgradiënt (zie fig. 1). Volgens de tweede wet van de thermodynamica stroomt warmte altijd in de richting van de lagere temperatuur.thermische geleidbaarheid van het monster respectievelijk 11,4 mm²/s en 26,6 W/(m·K), wat overeenkomt met de waarden die in de literatuur zijn gerapporteerd [1]. Zowel de thermische diffusiviteit als de Thermische geleidbaarheidThermische geleidbaarheid (λ met de eenheid W/(m-K)) beschrijft het transport van energie - in de vorm van warmte - door een massa-lichaam als gevolg van een temperatuurgradiënt (zie fig. 1). Volgens de tweede wet van de thermodynamica stroomt warmte altijd in de richting van de lagere temperatuur.thermische geleidbaarheid nemen toe naarmate de temperatuur stijgt. De Specifieke warmtecapaciteit (cp)Warmtecapaciteit is een materiaalspecifieke fysische grootheid, bepaald door de hoeveelheid warmte die aan een proefstuk wordt toegevoerd, gedeeld door de resulterende temperatuurstijging. De specifieke warmtecapaciteit is gerelateerd aan een massa-eenheid van het proefstuk.specifieke warmtecapaciteit (_{Specifieke warmtecapaciteit (cp)Warmtecapaciteit is een materiaalspecifieke fysische grootheid, bepaald door de hoeveelheid warmte die aan een proefstuk wordt toegevoerd, gedeeld door de resulterende temperatuurstijging. De specifieke warmtecapaciteit is gerelateerd aan een massa-eenheid van het proefstuk.cp}) werd gemeten met behulp van een DSC 300 van NETZSCH Caliris^®Select . Opgemerkt moet worden dat, vanwege de agressieve reactie tussen Ga en aluminium (Al), voor de meting een met Al₂O₃ beklede platina (Pt) smeltkroes werd gebruikt.

De PEEK-houder voor vloeibare monsters is gebaseerd op een drielaags model. Na montage kunnen vloeibare monsters in de houder – bestaande uit bovenste en onderste roestvrijstalen schijven en een PEEK-ring – worden aangebracht door middel van injectie, druppeltoevoeging of uitsmeren (zie figuur 2). Deze speciale monsterhouder kan worden gebruikt voor het testen van monsters zoals vloeistoffen, vloeibare metalen en pasta's.

Bij het gebruik van deze houder wordt een drielaags model toegepast om de thermische diffusiviteit te berekenen. Figuur 3 toont de temperatuurstijgingscurve van het zuivere Ga-monster bij 30 °C. Hieruit blijkt dat de gemeten curve (blauw) zeer goed overeenkomt met de aan het model aangepaste curve (rood), wat de validiteit en nauwkeurigheid van de testresultaten die zijn verkregen met behulp van de PEEK-monsterhouder voor vloeistoffen nogmaals aantoont.

Het Smelttemperaturen en -getallenDe enthalpie van fusie van een stof, ook wel latente warmte genoemd, is een maat voor de energie-input, meestal warmte, die nodig is om een stof om te zetten van vaste naar vloeibare toestand. Het smeltpunt van een stof is de temperatuur waarbij de toestand verandert van vast (kristallijn) naar vloeibaar (isotroop smeltpunt).smeltpunt van zuiver Ga bedraagt ongeveer 29,8 °C. Bij normale kamertemperatuur blijft het in vaste toestand en kan het niet direct worden gebruikt als vloeibaar thermisch interfacemateriaal of als stromende werkvloeistof. Door elementen zoals In en tin (Sn) aan Ga toe te voegen, ontstaan eutectische legeringen die het Smelttemperaturen en -getallenDe enthalpie van fusie van een stof, ook wel latente warmte genoemd, is een maat voor de energie-input, meestal warmte, die nodig is om een stof om te zetten van vaste naar vloeibare toestand. Het smeltpunt van een stof is de temperatuur waarbij de toestand verandert van vast (kristallijn) naar vloeibaar (isotroop smeltpunt).smeltpunt aanzienlijk verlagen. Zo heeft de in de handel verkrijgbare Ga-In-Sn-legering Galinstan bijvoorbeeld een Smelttemperaturen en -getallenDe enthalpie van fusie van een stof, ook wel latente warmte genoemd, is een maat voor de energie-input, meestal warmte, die nodig is om een stof om te zetten van vaste naar vloeibare toestand. Het smeltpunt van een stof is de temperatuur waarbij de toestand verandert van vast (kristallijn) naar vloeibaar (isotroop smeltpunt).smeltpunt van slechts -19 °C. Dit betekent dat het onder de meeste natuurlijke omgevingsomstandigheden vloeibaar blijft, waardoor het toepassingsgebied aanzienlijk wordt uitgebreid.

Figuur 4 toont de resultaten van de Thermische geleidbaarheidThermische geleidbaarheid (λ met de eenheid W/(m-K)) beschrijft het transport van energie - in de vorm van warmte - door een massa-lichaam als gevolg van een temperatuurgradiënt (zie fig. 1). Volgens de tweede wet van de thermodynamica stroomt warmte altijd in de richting van de lagere temperatuur.thermische geleidbaarheid voor zuiver Ga en de legeringen GaIn (_Ga75In25) en GaInSn (_{Ga68,5In21,5Sn10}), getest met behulp van de PEEK-vloeistofmonsterhouder bij temperaturen van 30 °C tot 120 °C. Het is duidelijk dat het legeren van Ga met In en Sn leidt tot een afname van de warmtegeleiding. De toevoeging van In en Sn zorgt voor extra verstrooiingscentra voor vrije elektronen in vloeibaar Ga, waardoor de gemiddelde vrije weg van de elektronen wordt verkort en de warmtegeleiding afneemt, aangezien warmtetransport in vloeibare galliummetalen wordt gedomineerd door vrije elektronen [2]. De samenstelling van de legering (inclusief het gehalte aan In en Sn) heeft een aanzienlijke invloed op de Thermische geleidbaarheidThermische geleidbaarheid (λ met de eenheid W/(m-K)) beschrijft het transport van energie - in de vorm van warmte - door een massa-lichaam als gevolg van een temperatuurgradiënt (zie fig. 1). Volgens de tweede wet van de thermodynamica stroomt warmte altijd in de richting van de lagere temperatuur.thermische geleidbaarheid, en een nauwkeurige meting van de Thermische geleidbaarheidThermische geleidbaarheid (λ met de eenheid W/(m-K)) beschrijft het transport van energie - in de vorm van warmte - door een massa-lichaam als gevolg van een temperatuurgradiënt (zie fig. 1). Volgens de tweede wet van de thermodynamica stroomt warmte altijd in de richting van de lagere temperatuur.thermische geleidbaarheid vormt de basis voor de screening en optimalisatie van de samenstelling van vloeibare metalen op basis van gallium.

Samenvatting

Vloeibare metalen op basis van gallium kunnen net als water stromen en beschikken tegelijkertijd over een uitstekende warmtegeleiding en stabiliteit, waardoor ze een buitengewoon potentieel hebben op het gebied van warmteafvoer. De NETZSCH LFA 717 HyperFlash^® , in combinatie met de speciale PEEK-monsterhouder voor vloeistoffen en met behulp van een speciaal drielaags rekenmodel, kan de warmtegeleidbaarheid van op gallium gebaseerde vloeibare metalen nauwkeurig meten. Dit is van groot belang voor het nauwkeurig beoordelen van het warmteafvoervermogen van vloeibare metalen en het bieden van efficiënte en betrouwbare oplossingen voor thermisch beheer.