ما هي الموصلية الحرارية؟
الموصلية الحرارية هي الخاصية التي تخبرك بمدى سهولة انتقال الحرارة عبر المادة عندما يكون هناك اختلاف في درجة الحرارة عبرها. الرمز هو k، أو في بعض الأحيان lect، والوحدة القياسية هي W/(m·K). إذا كانت المادة ذات قيمة k عالية، فإن الحرارة تتدفق عبرها بسرعة. إذا كانت قيمة k منخفضة، تتحرك الحرارة ببطء.
لقد أمضيت خمسة عشر عامًا في بناء تصميمات العزل والمصارف الحرارية-، وفي كل مرة يتطرق فيها شخص ما إلى "التوصيل الحراري" بدون سياق، أضطر إلى عض لساني. يتم قياس أرقام ورقة البيانات في ظل ظروف معملية مثالية. الأجزاء الحقيقية في الأنظمة الحقيقية لا ترى تلك الشروط الدقيقة تقريبًا.
قيمة المختبر مقابل الجزء الحقيقي
يتم قياس التوصيل الحراري للمختبر على عينة مسطحة ونظيفة وخالية من العيوب-مع ضغط تلامس مثالي وبدون فجوات هوائية. في الحقل، لديك خشونة السطح، وطبقات الأكسيد، وتباين ضغط التلامس، وغالبًا ما يكون هناك طبقة رقيقة من الهواء تقتل التوصيل الفعال. قد تظهر كتلة نحاسية 400 واط/(م·ك) في الكتاب المدرسي، لكن قم بربط المشتتين الحراريتين النحاسيتين معًا بضغط 2 ميجاباسكال وستكون محظوظًا لرؤية 50 000 واط/(م²·ك) في الواجهة.
المعادن
تبلغ نسبة النحاس النقي في درجة حرارة الغرفة حوالي 401 واط/(م·ك). الأكسجين-C10100 الحر أعلى ببضع نقاط، وC11000 التجاري أقل ببضع نقاط. الألومنيوم 6061 يقع عند 167-180 واط/(م·ك) اعتمادًا على درجة الحرارة. 6063 عادة ما يكون 200-210 لأنه مقذوف وبنية الحبوب تصطف بشكل أفضل. تتفوق الفضة النقية على كل شيء عند 430 تقريبًا، لكن لا أحد يستخدمها خارج تجاويف الترددات اللاسلكية القليلة.
غير-المعادن التي تفاجئ الناس
الماس (CVD أو الكريستال-المفرد) يعمل بقدرة 1000–2200 واط/(م·ك). نحن نستخدمه في التركيبات الفرعية للديود الليزري- وبوابات GaN HEMT عندما لا يكون المال شيئًا. يمكن أن يصل الجرافيت الموجود في-المستوى (صفائح الجرافين أو التحلل الحراري) إلى 1500-2000 على طول المستوى، وينخفض إلى 6 عموديًا. هذا التباين هو السبب وراء ضرورة توخي الحذر في كيفية توجيه موزعات الحرارة الجرافيتية في الهواتف.
السيراميك والحشو
تتراوح نسبة نيتريد الألومنيوم (AlN) بين 170-220 واط/(م·ك) في درجات الإنتاج. كان أكسيد البريليوم 250-300 ولكن تم حظره في معظم الأماكن. تمنحك الصفائح الدموية من نيتريد البورون (h-BN) مستوى يتراوح بين 300-600-عند محاذاتها في بوليمر، وربما 30 خلال-المستوى. تبلغ نسبة الألومينا العادية (Al2O3) 30-35 فقط، ومع ذلك فإن 90% من لوحات LED لا تزال تستخدمها لأنها رخيصة الثمن وعازلة للكهرباء.
البوليمرات والشحوم
الإيبوكسي أو البولي يوريثين غير المعبأ هو 0.2–0.3 واط/(م·ك). قم بتحميله بنسبة 70% من الألومينا أو نيتريد البورون ويمكنك دفع 2-4 وات/(م·ك). عادةً ما تكون الوسادات الحرارية التي تشتريها من Digi-Key 1–8 واط/(م·ك) كبيرة، ولكن عنق الزجاجة الحقيقي هو مقاومة التلامس عند كل وجه. تبدأ مرحلة-تغيير المواد عند 3-5، ويمكن أن تصلك واجهات المعدن السائل (الجاليوم) إلى أكثر من 30 إذا كنت تستطيع التعايش مع الفوضى.
القيم النموذجية التي أستخدمها فعليًا عندما أقوم بتحديد حجم المشتتات الحرارية
| مادة | الجزء الأكبر k (W/m·K) عند 25 درجة | ملاحظات ينساها معظم الناس |
|---|---|---|
| النحاس C10200 | 401 | ينخفض إلى ~ 380 عند 100 درجة |
| الألومنيوم 6061-T6 | 167 | |
| الألومنيوم 6063-T6 | 201 | |
| الماس الأمراض القلبية الوعائية | 1800–2200 | فقط للمناطق الصغيرة |
| الجرافيت الحراري (في-المستوى) | 1500–1700 | 6–10 من-الطائرة |
| آلن السيراميك | 170–220 | |
| فضي | 429 | نادرا ما تستخدم |
| شحم حراري (عالي-) | 8–14 | واجهة تهيمن على أي حال |
| القطب الشمالي الفضي 5 (المرجع القديم) | ~8.5 | لا يزال الناس يقتبسون المعيار |
| رقائق الإنديوم (ذوبان 53 درجة) | 82 | ناعمة، تتوافق تمامًا |
خلاصة القول: الرقم k المجمع هو نصف القصة فقط. عادة ما تحدد مقاومة التلامس، والانتهاء من السطح، وضغط التركيب، والاعتماد على درجة الحرارة ما إذا كانت وحدة المعالجة المركزية الخاصة بك ستختنق أو ستعيش IGBT الخاص بك.
أقوم دائمًا بتخفيض أرقام المختبر بنسبة 30% على الأقل في تصميمات المرور الأولى-، ثم قياس درجة حرارة الوصلات الفعلية على المنضدة. أي شيء آخر يطلب عوائد ميدانية.