Avancerad LFA-lösning: Analys av galliumbaserade vätskor

Inledning

Gallium (Ga)-baserade flytande metaller håller på att bli viktiga material inom kylning av högeffektselektronik tack vare sin exceptionella elektriska ledningsförmåga, Termisk konduktivitetVärmekonduktivitet (λ med enheten W/(m-K)) beskriver transporten av energi - i form av värme - genom en masskropp som ett resultat av en temperaturgradient (se fig. 1). Enligt termodynamikens andra huvudsats strömmar värme alltid i riktning mot den lägre temperaturen.värmeledningsförmåga och flytbarhet. Inom värmehantering kan Ga och Ga-indium (In)-legeringar fungera som värmeledande gränssnittsmaterial som fyller utrymmet mellan kretskort och kylflänsar för att effektivt avleda värme som alstras av centrala komponenter såsom CPU:er och GPU:er. Detta sänker driftstemperaturerna avsevärt och säkerställer en stabil drift av enheterna. Deras värmeavledningseffektivitet överstiger vida den hos termiskt fett och värmeledande kuddar. Dessutom har gallium och galliumbaserade legeringar ett extremt brett temperaturintervall i flytande tillstånd (från temperaturer under noll till över 2000 °C) och en Termisk konduktivitetVärmekonduktivitet (λ med enheten W/(m-K)) beskriver transporten av energi - i form av värme - genom en masskropp som ett resultat av en temperaturgradient (se fig. 1). Enligt termodynamikens andra huvudsats strömmar värme alltid i riktning mot den lägre temperaturen.värmeledningsförmåga som är långt överlägsen vattnets, vilket gör dem till mycket lovande konvektiva kylmedier för chip med hög effekttäthet, tillämpningar inom rymdindustrin och andra områden.

Noggranna tester av värmeledningsförmågan hos Ga och Ga-In-legeringar är avgörande för att säkerställa säker och effektiv drift i kritiska värmehanteringsapplikationer. Laser/Light Flash Analysis (LFA) mäter inte bara värmeledningsförmågan hos konventionella fasta prover utan kan – vid användning av lämpliga provhållare och val av passande beräkningsmodeller – även mäta värmediffusionsförmågan hos speciella prover såsom vätskor, pastor och pulver, och därigenom beräkna deras Termisk konduktivitetVärmekonduktivitet (λ med enheten W/(m-K)) beskriver transporten av energi - i form av värme - genom en masskropp som ett resultat av en temperaturgradient (se fig. 1). Enligt termodynamikens andra huvudsats strömmar värme alltid i riktning mot den lägre temperaturen.värmeledningsförmåga. Denna applikationsnot fokuserar på den metod som används av NETZSCH LFA 717 HyperFlash^® för att bestämma värmeledningsförmågan hos prover av rent gallium och gallium-indiumlegeringar med hjälp av en PEEK-provhållare för vätskor.

Tabell 1: Mätförhållanden

Mätresultat

Figur 1 visar resultaten för värmediffusionskoefficienten, den specifika värmekapaciteten (_{Specifik värmekapacitet (cp)Värmekapacitet är en materialspecifik fysikalisk storhet som bestäms av den värmemängd som tillförs provkroppen, dividerat med den resulterande temperaturökningen. Den specifika värmekapaciteten är relaterad till en massa-enhet av provkroppen.cp}) och värmeledningsförmågan hos ett rent Ga-prov, uppmätt inom ett temperaturintervall från 30 °C till 120 °C. Vid 30 °C uppgick provets termiska diffusivitet och Termisk konduktivitetVärmekonduktivitet (λ med enheten W/(m-K)) beskriver transporten av energi - i form av värme - genom en masskropp som ett resultat av en temperaturgradient (se fig. 1). Enligt termodynamikens andra huvudsats strömmar värme alltid i riktning mot den lägre temperaturen.värmeledningsförmåga till 11,4 mm²/s respektive 26,6 W/(m·K), vilket stämmer överens med värden som rapporterats i litteraturen [1]. Både den termiska diffusiviteten och värmeledningsförmågan ökar med stigande temperatur. Den specifika värmekapaciteten (_{Specifik värmekapacitet (cp)Värmekapacitet är en materialspecifik fysikalisk storhet som bestäms av den värmemängd som tillförs provkroppen, dividerat med den resulterande temperaturökningen. Den specifika värmekapaciteten är relaterad till en massa-enhet av provkroppen.cp}) mättes med hjälp av en DSC 300 från NETZSCH Caliris^®Select . Det bör noteras att på grund av den aggressiva reaktionen mellan Ga och aluminium (Al) användes en platina (Pt)-degel fodrad med Al₂O₃ för mätningen.

PEEK-hållaren för vätskeprover är utformad enligt en treskiktsmodell. Efter montering kan vätskeprover fyllas i behållaren – som består av övre och undre skivor av rostfritt stål samt en PEEK-ring – genom injektion, dropptillsats eller påstrykning (se figur 2). Denna speciella provhållare kan användas för att testa prover såsom vätskor, flytande metaller och pastor.

Vid användning av denna hållare tillämpas en trelagersmodell för att beräkna värmediffusionskoefficienten. Figur 3 visar temperaturökningskurvan för provet av rent Ga vid 30 °C. Man kan se att den uppmätta kurvan (blå) stämmer mycket väl överens med den modellanpassade kurvan (röd), vilket ytterligare visar på giltigheten och noggrannheten hos de testresultat som erhållits med hjälp av PEEK-provhållaren för vätskor.

Smältpunkten för rent gallium (Ga) är cirka 29,8 °C. Det förblir i fast tillstånd vid normala rumstemperaturförhållanden och kan inte användas direkt som ett flytande värmeledande material eller som en strömmande arbetsvätska. Genom att tillsätta grundämnen som indium (In) och tenn (Sn) till gallium bildas eutektiska legeringar som avsevärt sänker smältpunkten. Till exempel har den kommersiella Ga-In-Sn-legeringen Galinstan en Smälttemperaturer och entalpierEtt ämnes smältningsenthalpi, även kallad latent värme, är ett mått på den energitillförsel, vanligtvis värme, som krävs för att omvandla ett ämne från fast till flytande tillstånd. Ett ämnes smältpunkt är den temperatur vid vilken det ändrar tillstånd från fast (kristallin) till flytande (isotropisk smälta).smältpunkt på så lågt som -19 °C. Detta innebär att den förblir flytande under de flesta naturliga miljöförhållanden, vilket avsevärt utökar dess användningsområde.

Figur 4 visar resultaten för värmeledningsförmågan hos rent Ga samt legeringarna GaIn (_Ga75In25) och GaInSn (_{Ga68,5In21,5Sn10}), testade med hjälp av en provhållare av PEEK för flytande prover vid temperaturer mellan 30 °C och 120 °C. Det framgår tydligt att legering av Ga med In och Sn leder till en minskning av värmeledningsförmågan. Tillsatsen av In och Sn inför ytterligare spridningscentrum för fria elektroner i flytande Ga, vilket förkortar elektronernas genomsnittliga fria väg och sänker värmeledningsförmågan, eftersom värmetransporten i flytande galliummetaller domineras av fria elektroner [2]. En legeringssammansättning (inklusive In- och Sn-halter) påverkar värmeledningsförmågan avsevärt, och noggranna mätningar av värmeledningsförmågan utgör en grund för urval och optimering av sammansättningen hos galliumbaserade flytande metaller.

Sammanfattning

Flytande metaller baserade på gallium kan flyta som vatten samtidigt som de har utmärkt Termisk konduktivitetVärmekonduktivitet (λ med enheten W/(m-K)) beskriver transporten av energi - i form av värme - genom en masskropp som ett resultat av en temperaturgradient (se fig. 1). Enligt termodynamikens andra huvudsats strömmar värme alltid i riktning mot den lägre temperaturen.värmeledningsförmåga och stabilitet, vilket visar på en enastående potential inom värmeavledning. NETZSCH LFA 717 HyperFlash^® , i kombination med den speciella PEEK-provhållaren för vätskor och med hjälp av en särskild trelagers beräkningsmodell, kan noggrant mäta värmeledningsförmågan hos galliumbaserade flytande metaller. Detta är mycket viktigt för att noggrant kunna utvärdera de flytande metallernas värmeavledningsförmåga och därmed kunna tillhandahålla effektiva och tillförlitliga lösningar för värmehantering.