Soluție avansată LFA: Analiza lichidelor pe bază de galiu

Introducere

Metalele lichide pe bază de galiu (Ga) se impun ca materiale cheie în domeniul răcirii componentelor electronice de mare putere, datorită conductivității electrice, conductivității termice și proprietăților de curgere excepționale. În gestionarea termică, Ga și aliajele de Ga-indiu (In) pot servi drept materiale de interfață termică, umplând spațiile dintre cipuri și radiatoare pentru a disipa eficient căldura generată de componentele principale, precum procesoarele (CPU) și procesoarele grafice (GPU). Acest lucru reduce semnificativ temperaturile de funcționare și asigură funcționarea stabilă a dispozitivelor. Eficiența lor de disipare termică o depășește cu mult pe cea a pastelor termice și a plăcuțelor termice. În plus, Ga și aliajele pe bază de Ga posedă un interval de temperatură în stare lichidă extrem de larg (de la temperaturi sub zero până la peste 2000 °C) și o conductivitate termică mult superioară celei a apei, ceea ce le face medii de răcire convective extrem de promițătoare pentru cipuri cu DensitateDensitatea masică este definită ca raportul dintre masă și volum. densitate mare de putere, aplicații aerospațiale și alte domenii.

Testarea precisă a conductivității termice a Ga și a aliajelor de Ga-In este esențială pentru a asigura funcționarea lor sigură și eficientă în aplicații critice de gestionare termică. Analiza cu laser/flash de lumină (LFA) nu numai că măsoară conductivitatea termică a probelor solide convenționale, dar – atunci când se utilizează suporturi adecvate pentru probe și se selectează modele de calcul potrivite – poate măsura și difuzivitatea termică a unor probe speciale, cum ar fi lichide, paste și pulberi, calculând astfel conductivitatea lor termică. Această notă de aplicație se concentrează pe metoda utilizată de NETZSCH LFA 717 HyperFlash^® pentru a determina conductivitatea termică a probelor de Ga pur și de aliaje Ga-In folosind un suport de probă pentru lichide din PEEK.

Tabelul 1: Condiții de măsurare

Rezultatele măsurătorilor

Figura 1 prezintă rezultatele privind difuzivitatea termică, capacitatea termică specifică (_{Capacitate termică specifică (cp)Capacitatea termică este o mărime fizică specifică materialului, determinată de cantitatea de căldură furnizată specimenului, împărțită la creșterea de temperatură rezultată. Capacitatea termică specifică este raportată la o unitate de masă a specimenului.cp}) și conductivitatea termică ale unei probe de Ga pur, măsurate într-un interval de temperatură cuprins între 30 °C și 120 °C. La 30 °C, difuzivitatea termică și conductivitatea termică ale probei au fost de 11,4 mm²/s și, respectiv, 26,6 W/(m·K), valori care sunt în concordanță cu cele raportate în literatura de specialitate [1]. Atât difuzivitatea termică, cât și conductivitatea termică cresc odată cu creșterea temperaturii. Capacitatea termică specifică (_{Capacitate termică specifică (cp)Capacitatea termică este o mărime fizică specifică materialului, determinată de cantitatea de căldură furnizată specimenului, împărțită la creșterea de temperatură rezultată. Capacitatea termică specifică este raportată la o unitate de masă a specimenului.cp}) a fost măsurată folosind un aparat DSC 300 de la NETZSCH Caliris^®Select . Trebuie menționat că, datorită reacției agresive dintre Ga și aluminiu (Al), pentru măsurare s-a utilizat un creuzet de platină (Pt) căptușit cu Al₂O₃.

Suportul pentru probe lichide din PEEK are o structură cu trei straturi. După asamblare, probele lichide pot fi introduse în recipient – compus din discuri superioare și inferioare din oțel inoxidabil și un inel din PEEK – prin injecție, adăugare de picături sau întindere (vezi Figura 2). Acest suport special pentru probe poate fi utilizat pentru testarea probelor precum lichide, metale lichide și paste.

Atunci când se utilizează acest suport, se aplică un model cu trei straturi pentru calcularea difuzivității termice. Figura 3 prezintă curba de creștere a temperaturii probei de Ga pur la 30 °C. Se poate observa că curba măsurată (albastră) se potrivește foarte bine cu curba ajustată la model (roșie), demonstrând încă o dată validitatea și precizia rezultatelor testelor obținute folosind suportul de probă din PEEK pentru lichide.

Punctul de Temperaturile și entalpiile de topireEntalpia de fuziune a unei substanțe, cunoscută și sub denumirea de căldură latentă, este o măsură a aportului de energie, de obicei căldură, care este necesară pentru a transforma o substanță din stare solidă în stare lichidă. Punctul de topire al unei substanțe este temperatura la care aceasta își schimbă starea din solid (cristalin) în lichid (topitură izotropică). topire al Ga-ului pur este de aproximativ 29,8 °C. Acesta rămâne în stare solidă în condiții tipice de temperatură camerală și nu poate fi utilizat direct ca material de interfață termică lichid sau ca fluid de lucru curgător. Adăugarea unor elemente precum In și staniu (Sn) la Ga formează aliaje eutectice care reduc semnificativ punctul de Temperaturile și entalpiile de topireEntalpia de fuziune a unei substanțe, cunoscută și sub denumirea de căldură latentă, este o măsură a aportului de energie, de obicei căldură, care este necesară pentru a transforma o substanță din stare solidă în stare lichidă. Punctul de topire al unei substanțe este temperatura la care aceasta își schimbă starea din solid (cristalin) în lichid (topitură izotropică). topire. De exemplu, aliajul comercial Ga-In-Sn, denumit Galinstan, are un Temperaturile și entalpiile de topireEntalpia de fuziune a unei substanțe, cunoscută și sub denumirea de căldură latentă, este o măsură a aportului de energie, de obicei căldură, care este necesară pentru a transforma o substanță din stare solidă în stare lichidă. Punctul de topire al unei substanțe este temperatura la care aceasta își schimbă starea din solid (cristalin) în lichid (topitură izotropică).punct de topire de până la -19 °C. Acest lucru înseamnă că rămâne lichid în majoritatea condițiilor de mediu naturale, extinzându-și considerabil gama de aplicații.

Figura 4 prezintă rezultatele conductivității termice pentru Ga pur și pentru aliajele GaIn (_Ga75In25) și GaInSn (_{Ga68,5In21,5Sn10}), testate folosind suportul de probă lichidă din PEEK la temperaturi cuprinse între 30 °C și 120 °C. Este evident că aliajul de Ga cu In și Sn duce la o scădere a conductivității termice. Adăugarea de In și Sn introduce centre suplimentare de împrăștiere a electronilor liberi în Ga lichid, scurtând drumul liber mediu al electronilor și reducând conductivitatea termică, întrucât transportul de căldură în metalele lichide pe bază de galiu este dominat de electronii liberi [2]. Compoziția aliajului (inclusiv conținutul de In și Sn) influențează semnificativ conductivitatea termică, iar măsurarea precisă a acesteia oferă o bază pentru selecția și optimizarea formulării metalelor lichide pe bază de galiu.

Rezumat

Metalele lichide pe bază de galiu pot curge ca apa, având în același timp o conductivitate termică și o stabilitate excelente, ceea ce demonstrează un potențial extraordinar în domeniul disipării căldurii. NETZSCH LFA 717 HyperFlash^® , împreună cu suportul special pentru probe PEEK destinat lichidelor și utilizând un model de calcul dedicat cu trei straturi, poate măsura cu precizie conductivitatea termică a metalelor lichide pe bază de galiu. Acest lucru este foarte important pentru evaluarea precisă a capacității de disipare a căldurii a metalelor lichide și pentru furnizarea de soluții eficiente și fiabile de gestionare termică.