Zaawansowane rozwiązanie LFA: Analiza cieczy na bazie galu

Wprowadzenie

Metale ciekłe na bazie galu (Ga) stają się kluczowymi materiałami w dziedzinie chłodzenia układów elektronicznych dużej mocy ze względu na ich wyjątkową przewodność elektryczną, przewodność cieplną oraz właściwości płynięcia. W zarządzaniu temperaturą gal (Ga) oraz stopy galu z indem (In) mogą pełnić rolę materiałów termoprzewodzących, wypełniając szczeliny między układami scalonymi a radiatorami w celu efektywnego odprowadzania ciepła wytwarzanego przez kluczowe komponenty, takie jak procesory (CPU) i procesory graficzne (GPU). Pozwala to znacznie obniżyć temperatury robocze i zapewnić stabilną pracę urządzeń. Ich wydajność odprowadzania ciepła znacznie przewyższa wydajność past termoprzewodzących i podkładek termicznych. Ponadto gal i stopy na bazie galu charakteryzują się niezwykle szerokim zakresem temperatur, w których pozostają w stanie ciekłym (od temperatur poniżej zera do ponad 2000°C), oraz przewodnością cieplną znacznie przewyższającą przewodność wody, co czyni je bardzo obiecującymi konwekcyjnymi czynnikami chłodzącymi dla układów o wysokiej gęstości mocy, zastosowań lotniczych i kosmicznych oraz innych dziedzin.

Dokładne badanie przewodności cieplnej Ga oraz stopów Ga-In ma zasadnicze znaczenie dla zapewnienia ich bezpiecznego i wydajnego działania w krytycznych zastosowaniach związanych z zarządzaniem temperaturą. Analiza laserowa/błyskowa (LFA) nie tylko pozwala mierzyć przewodność cieplną konwencjonalnych próbek stałych, ale – przy użyciu odpowiednich uchwytów do próbek i wyborze odpowiednich modeli obliczeniowych – umożliwia również pomiar dyfuzyjności cieplnej próbek specjalnych, takich jak ciecze, pasty i proszki, a tym samym obliczenie ich przewodności cieplnej. Niniejsza nota aplikacyjna skupia się na metodzie stosowanej przez firmę NETZSCH LFA 717 HyperFlash^® do określania przewodności cieplnej próbek czystego galu (Ga) i stopów Ga-In przy użyciu uchwytu do próbek cieczy wykonanego z PEEK.

Tabela 1: Warunki pomiarowe

Wyniki pomiarów

Na rysunku 1 przedstawiono wyniki pomiarów dyfuzyjności cieplnej, ciepła właściwego (_{Pojemność cieplna właściwa (cp)Pojemność cieplna jest wielkością fizyczną specyficzną dla materiału, określoną przez ilość ciepła dostarczonego do próbki, podzieloną przez wynikający z tego wzrost temperatury. Pojemność cieplna właściwa jest związana z jednostką masy próbki.cp}) oraz przewodności cieplnej czystej próbki Ga, przeprowadzonych w zakresie temperatur od 30°C do 120°C. W temperaturze 30°C dyfuzyjność cieplna i Przewodność cieplnaPrzewodność cieplna (λ z jednostką W/(m-K)) opisuje transport energii - w postaci ciepła - przez ciało o masie w wyniku gradientu temperatury (patrz rys. 1). Zgodnie z drugą zasadą termodynamiki, ciepło zawsze przepływa w kierunku niższej temperatury.przewodność cieplna próbki wynosiły odpowiednio 11,4 mm²/s i 26,6 W/(m·K), co jest zgodne z wartościami podanymi w literaturze [1]. Zarówno dyfuzyjność cieplna, jak i Przewodność cieplnaPrzewodność cieplna (λ z jednostką W/(m-K)) opisuje transport energii - w postaci ciepła - przez ciało o masie w wyniku gradientu temperatury (patrz rys. 1). Zgodnie z drugą zasadą termodynamiki, ciepło zawsze przepływa w kierunku niższej temperatury.przewodność cieplna rosną wraz ze wzrostem temperatury. Ciepło właściwe (_{Pojemność cieplna właściwa (cp)Pojemność cieplna jest wielkością fizyczną specyficzną dla materiału, określoną przez ilość ciepła dostarczonego do próbki, podzieloną przez wynikający z tego wzrost temperatury. Pojemność cieplna właściwa jest związana z jednostką masy próbki.cp}) zmierzono przy użyciu analizatora DSC 300 firmy NETZSCH Caliris^®Select . Należy zauważyć, że ze względu na gwałtowną reakcję między Ga a glinem (Al) do pomiaru wykorzystano tygiel platynowy (Pt) wyłożony Al₂O₃.

Uchwyt do próbek cieczy wykonany z tworzywa PEEK opiera się na konstrukcji trójwarstwowej. Po złożeniu próbki cieczy można umieścić w pojemniku – składającym się z górnego i dolnego krążka ze stali nierdzewnej oraz pierścienia z PEEK – poprzez wtryskiwanie, dodawanie kropli lub smarowanie (patrz rysunek 2). Ten specjalny uchwyt do próbek może być wykorzystywany do badania próbek takich jak ciecze, metale płynne i pasty.

W przypadku stosowania tego uchwytu do obliczenia współczynnika dyfuzji cieplnej wykorzystuje się model trójwarstwowy. Rysunek 3 przedstawia krzywą wzrostu temperatury próbki czystego Ga w temperaturze 30°C. Widać, że krzywa pomiarowa (niebieska) bardzo dobrze pokrywa się z krzywą dopasowaną do modelu (czerwona), co dodatkowo potwierdza wiarygodność i dokładność wyników badań uzyskanych przy użyciu uchwytu do próbek PEEK przeznaczonego do cieczy.

Temperatura topnienia czystego galatu (Ga) wynosi około 29,8 °C. W typowych warunkach temperatury pokojowej pozostaje on w stanie stałym i nie może być stosowany bezpośrednio jako ciekły materiał termoprzewodzący ani jako płynny czynnik roboczy. Dodanie do galatu pierwiastków takich jak ind (In) i cyna (Sn) prowadzi do powstania stopów eutektycznych, które znacznie obniżają temperaturę topnienia. Na przykład dostępny na rynku stop Ga-In-Sn o nazwie Galinstan ma temperaturę topnienia wynoszącą zaledwie -19°C. Oznacza to, że pozostaje on w stanie ciekłym w większości naturalnych warunków środowiskowych, co znacznie rozszerza zakres jego zastosowań.

Rysunek 4 przedstawia wyniki pomiarów przewodności cieplnej czystego Ga oraz stopów GaIn (_Ga75In25) i GaInSn (_{Ga68,5In21,5Sn10}), badanych przy użyciu uchwytu do próbek cieczy z PEEK w zakresie temperatur od 30°C do 120°C. Wyraźnie widać, że stopowanie galatu z indem i cyną prowadzi do spadku przewodności cieplnej. Dodatek indu i cyny wprowadza dodatkowe ośrodki rozpraszania swobodnych elektronów w ciekłym galacie, skracając średnią drogę swobodną elektronów i obniżając przewodność cieplną, ponieważ transport ciepła w ciekłych metalach galowych jest zdominowany przez swobodne elektrony [2]. Skład stopu (w tym zawartość In i Sn) ma znaczący wpływ na przewodność cieplną, a dokładny pomiar przewodności cieplnej stanowi podstawę do selekcji i optymalizacji receptur ciekłych metali na bazie galu.

Podsumowanie

Metale płynne na bazie galu mogą płynąć niczym woda, a jednocześnie charakteryzują się doskonałą przewodnością cieplną i stabilnością, co wskazuje na ich niezwykły potencjał w dziedzinie odprowadzania ciepła. NETZSCH LFA 717 HyperFlash^® , w połączeniu ze specjalnym uchwytem do próbek z tworzywa PEEK przeznaczonym do cieczy oraz przy użyciu dedykowanego trójwarstwowego modelu obliczeniowego, umożliwia dokładny pomiar przewodności cieplnej metali płynnych na bazie galu. Ma to ogromne znaczenie dla precyzyjnej oceny zdolności metali płynnych do odprowadzania ciepła, a tym samym dla zapewnienia wydajnych i niezawodnych rozwiązań w zakresie zarządzania temperaturą.