Gelişmiş LFA Çözümü: Galyum Bazlı Sıvıların Analizi

Giriş

Galyum (Ga) bazlı sıvı metaller, olağanüstü elektrik iletkenliği, ısı iletkenliği ve akış özellikleri sayesinde yüksek güçlü elektronik soğutma alanında kilit malzemeler olarak öne çıkmaktadır. Isı yönetiminde, Ga ve Ga-indiyum (In) alaşımları, termal arayüz malzemeleri olarak işlev görebilir; yongalar ile ısı emiciler arasındaki boşlukları doldurarak CPU ve GPU gibi çekirdek bileşenlerin ürettiği ısıyı verimli bir şekilde dağıtır. Bu, çalışma sıcaklıklarını önemli ölçüde düşürür ve cihazın istikrarlı çalışmasını sağlar. Isı dağılım verimlilikleri, termal gres ve termal pedlerin verimliliğini çok aşmaktadır. Ayrıca, Ga ve Ga bazlı alaşımlar son derece geniş bir sıvı sıcaklık aralığına (sıfırın altındaki sıcaklıklardan 2000°C'nin üzerine kadar) ve sudan çok daha üstün bir termal iletkenliğe sahiptir; bu da onları yüksek güç yoğunluklu yongalar, havacılık ve uzay uygulamaları ile diğer alanlar için son derece umut verici konvektif soğutma ortamları haline getirmektedir.

Ga ve Ga-In alaşımlarının termal iletkenliğinin doğru bir şekilde test edilmesi, kritik termal yönetim uygulamalarında güvenli ve verimli çalışmasını sağlamak için hayati önem taşır. Lazer/Işık Flaş Analizi (LFA), yalnızca geleneksel katı numunelerin termal iletkenliğini ölçmekle kalmaz; aynı zamanda uygun numune tutucular kullanıldığında ve uygun hesaplama modelleri seçildiğinde, sıvılar, macunlar ve tozlar gibi özel numunelerin termal difüzivitesini de ölçebilir ve böylece termal iletkenliklerini hesaplayabilir. Bu Uygulama Notu, NETZSCH LFA 717 HyperFlash^® adresinde yer alan ve PEEK sıvı numune tutucusu kullanılarak saf Ga ve Ga-In alaşım numunelerinin termal iletkenliğini belirlemek için kullanılan yönteme odaklanmaktadır.

Tablo 1: Ölçüm koşulları

Ölçüm Sonuçları

Şekil 1, 30 °C ile 120 °C arasındaki bir sıcaklık aralığında ölçülen saf Ga numunesinin termal difüzivitesi, özgül ısı kapasitesi (_{Özgül Isı Kapasitesi (cp)Isı kapasitesi, numuneye verilen ısı miktarının ortaya çıkan sıcaklık artışına bölünmesiyle belirlenen, malzemeye özgü fiziksel bir niceliktir. Özgül ısı kapasitesi, numunenin birim kütlesiyle ilişkilidir.cp}) ve Termal İletkenlikTermal iletkenlik (W/(m-K) birimiyle λ), sıcaklık gradyanının bir sonucu olarak enerjinin - ısı şeklinde - kütleli bir cisim boyunca taşınmasını tanımlar (bkz. Şekil 1). Termodinamiğin ikinci yasasına göre, ısı her zaman düşük sıcaklık yönünde akar.termal iletkenlik sonuçlarını göstermektedir. 30 °C'de numunenin termal difüzivitesi ve termal iletkenliği sırasıyla 11,4 mm²/s ve 26,6 W/(m·K) olarak ölçülmüştür; bu değerler literatürde bildirilen değerlerle tutarlıdır [1]. Hem Termal DifüziviteTermal difüzivite (mm2/s birimiyle a), kararsız ısı iletimini karakterize etmek için malzemeye özgü bir özelliktir. Bu değer, bir malzemenin sıcaklıktaki bir değişikliğe ne kadar hızlı tepki verdiğini açıklar.termal difüzivite hem de Termal İletkenlikTermal iletkenlik (W/(m-K) birimiyle λ), sıcaklık gradyanının bir sonucu olarak enerjinin - ısı şeklinde - kütleli bir cisim boyunca taşınmasını tanımlar (bkz. Şekil 1). Termodinamiğin ikinci yasasına göre, ısı her zaman düşük sıcaklık yönünde akar.termal iletkenlik, sıcaklığın artmasıyla birlikte artmaktadır. Özgül ısı kapasitesi (_{Özgül Isı Kapasitesi (cp)Isı kapasitesi, numuneye verilen ısı miktarının ortaya çıkan sıcaklık artışına bölünmesiyle belirlenen, malzemeye özgü fiziksel bir niceliktir. Özgül ısı kapasitesi, numunenin birim kütlesiyle ilişkilidir.cp}), NETZSCH DSC 300 Caliris^®Select cihazı kullanılarak ölçülmüştür. Ga ile alüminyum (Al) arasındaki şiddetli reaksiyon nedeniyle, ölçüm için Al₂O₃ ile kaplanmış bir platin (Pt) pota kullanıldığına dikkat edilmelidir.

PEEK sıvı numune tutucu, üç katmanlı bir modele dayanmaktadır. Montajın ardından, sıvı numuneler – üst ve alt paslanmaz çelik diskler ile bir PEEK halkasından oluşan – kaba enjeksiyon, damla ekleme veya sürme yoluyla yüklenebilir (bkz. Şekil 2). Bu özel numune tutucu, sıvılar, sıvı metaller ve macunlar gibi numuneleri test etmek için kullanılabilir.

Bu tutucu kullanılırken, termal yayılma katsayısını hesaplamak için üç katmanlı bir model kullanılmaktadır. Şekil 3, 30 °C'de saf Ga numunesinin sıcaklık artış eğrisini göstermektedir. Ölçülen eğri (mavi) ile modele uydurulmuş eğri (kırmızı) arasında çok iyi bir uyum olduğu görülmektedir; bu da sıvılar için PEEK numune tutucusu kullanılarak elde edilen test sonuçlarının geçerliliğini ve doğruluğunu bir kez daha ortaya koymaktadır.

Saf Ga’nın Erime Sıcaklıkları ve EntalpileriGizli ısı olarak da bilinen bir maddenin füzyon entalpisi, bir maddeyi katı halden sıvı hale dönüştürmek için gerekli olan enerji girdisinin, tipik olarak ısının bir ölçüsüdür. Bir maddenin erime noktası, katı (kristal) halden sıvı (izotropik eriyik) hale geçtiği sıcaklıktır. erime noktası yaklaşık 29,8 °C’dir. Tipik oda sıcaklığı koşullarında katı halde kalır ve sıvı termal arayüz malzemesi veya akışkan çalışma sıvısı olarak doğrudan kullanılamaz. Ga’ya In ve kalay (Sn) gibi elementlerin eklenmesi, Erime Sıcaklıkları ve EntalpileriGizli ısı olarak da bilinen bir maddenin füzyon entalpisi, bir maddeyi katı halden sıvı hale dönüştürmek için gerekli olan enerji girdisinin, tipik olarak ısının bir ölçüsüdür. Bir maddenin erime noktası, katı (kristal) halden sıvı (izotropik eriyik) hale geçtiği sıcaklıktır.erime noktasını önemli ölçüde düşüren ötektik alaşımlar oluşturur. Örneğin, ticari Ga-In-Sn alaşımı Galinstan’ın Erime Sıcaklıkları ve EntalpileriGizli ısı olarak da bilinen bir maddenin füzyon entalpisi, bir maddeyi katı halden sıvı hale dönüştürmek için gerekli olan enerji girdisinin, tipik olarak ısının bir ölçüsüdür. Bir maddenin erime noktası, katı (kristal) halden sıvı (izotropik eriyik) hale geçtiği sıcaklıktır. erime noktası -19 °C’ye kadar düşer. Bu, çoğu doğal çevre koşulunda sıvı halde kaldığı anlamına gelir ve uygulama alanını büyük ölçüde genişletir.

Şekil 4, 30°C ile 120°C arasında PEEK sıvı numune tutucusu kullanılarak test edilen saf Ga ile GaIn (_Ga75In25) ve GaInSn (_{Ga68,5In21,5Sn10}) alaşımlarının Termal İletkenlikTermal iletkenlik (W/(m-K) birimiyle λ), sıcaklık gradyanının bir sonucu olarak enerjinin - ısı şeklinde - kütleli bir cisim boyunca taşınmasını tanımlar (bkz. Şekil 1). Termodinamiğin ikinci yasasına göre, ısı her zaman düşük sıcaklık yönünde akar.termal iletkenlik sonuçlarını göstermektedir. Ga’nın In ve Sn ile alaşımlanmasının termal iletkenlikte bir azalmaya yol açtığı açıktır. In ve Sn ilavesi, sıvı Ga’da ekstra serbest elektron saçılma merkezleri oluşturarak elektronun ortalama serbest yolunu kısaltır ve galyum sıvı metallerinde ısı taşınımı serbest elektronlar tarafından gerçekleştirildiğinden termal iletkenliği düşürür [2]. Alaşım bileşimi (In ve Sn içerikleri dahil), termal iletkenliği önemli ölçüde etkiler ve termal iletkenliğin doğru bir şekilde ölçülmesi, galyum bazlı sıvı metallerin taranması ve formülasyon optimizasyonu için bir temel oluşturur.

Özet

Galyum bazlı sıvı metaller, su gibi akabilme özelliğine sahip olmanın yanı sıra mükemmel ısı iletkenliği ve kararlılık sergileyerek, ısı dağılımı alanında olağanüstü bir potansiyel ortaya koymaktadır. NETZSCH LFA 717 HyperFlash^® , sıvılar için özel PEEK numune tutucusuyla birlikte ve özel üç katmanlı hesaplama modeli kullanılarak, galyum bazlı sıvı metallerin ısı iletkenliğini doğru bir şekilde ölçebilir. Bu, sıvı metallerin ısı dağılım kapasitesini doğru bir şekilde değerlendirmek ve daha verimli ve güvenilir termal yönetim çözümleri sunmak açısından çok önemlidir.