Wat is thermische geleidbaarheid?

Thermische geleidbaarheid is de eigenschap die aangeeft hoe gemakkelijk warmte door een materiaal beweegt als er een temperatuurverschil over is. Het symbool is k, of soms λ, en de standaardeenheid is W/(m·K). Als een materiaal een hoge k-waarde heeft, stroomt er snel warmte doorheen. Als k laag is, beweegt de warmte langzaam.

Ik heb vijftien jaar besteed aan het isoleren van gebouwen en het ontwerpen van warmteafvoer-, en elke keer als iemand 'thermische geleidbaarheid' rondgooit zonder context, moet ik op mijn tong bijten. Gegevensbladnummers worden gemeten onder perfecte laboratoriumomstandigheden. Echte onderdelen in echte systemen zien bijna nooit die exacte omstandigheden.

Labwaarde versus reëel deel

De thermische geleidbaarheid in het laboratorium wordt gemeten op een vlak, schoon monster zonder defecten- met perfecte contactdruk en zonder luchtspleten. In het veld heb je oppervlakteruwheid, oxidelagen, contactdrukvariaties en vaak een dunne luchtfilm die de effectieve geleidbaarheid teniet doet. Een koperen blok geeft in het leerboek misschien 400 W/(m·K) aan, maar schroef twee koperen koellichamen aan elkaar met een druk van 2 MPa en je hebt geluk dat je 50 000 W/(m²·K) op het grensvlak ziet.

Metalen

Zuiver koper is bij kamertemperatuur ongeveer 401 W/(m·K). Zuurstof-vrije C10100 is een paar punten hoger, commerciële C11000 een paar punten lager. Aluminium 6061 heeft een vermogen van 167–180 W/(m·K), afhankelijk van de temperatuur. . 6063 is meestal 200–210, omdat het geëxtrudeerd is en de korrelstructuur beter aansluit. Puur zilver verslaat alles met ~430, maar niemand gebruikt het behalve een paar RF-holtes.

Niet-metalen die mensen verrassen

Diamant (CVD of enkel-kristal) heeft een vermogen van 1000–2200 W/(m·K). We gebruiken het voor laser-diode-submounts en GaN HEMT-poorten als geld geen rol speelt. Grafiet in-vlak (pyrolytische of grafeenplaten) kan 1500-2000 bereiken langs het vlak, daalt tot 6 loodrecht. Die anisotropie is de reden waarom je voorzichtig moet zijn met het oriënteren van grafiet-warmteverspreiders in telefoons.

Keramiek en vulstoffen

Aluminiumnitride (AlN) bedraagt ​​170–220 W/(m·K) in productiekwaliteiten. Berylliumoxide was 250-300, maar werd op de meeste plaatsen verboden. Boriumnitride (h-BN) bloedplaatjes geven je 300–600 in-vlak wanneer ze zijn uitgelijnd in een polymeer, misschien 30 door-vlak. Gewoon aluminiumoxide (Al2O3) is slechts 30-35%, maar toch gebruikt 90% van de LED-borden het nog steeds omdat het goedkoop en diëlektrisch is.

Polymeren en vetten

Ongevulde epoxy of polyurethaan is 0,2–0,3 W/(m·K). Vul hem met 70 vol% aluminiumoxide of boornitride en u kunt 2–4 W/(m·K) pushen. Thermische pads die u bij Digi-Key koopt, hebben doorgaans een volume van 1–8 W/(m·K), maar het echte knelpunt is de contactweerstand aan beide zijden. Fase-veranderingsmaterialen beginnen bij 3-5, grensvlakken van vloeibaar metaal (gallium) kunnen je boven de 30 brengen als je met de rotzooi kunt leven.

Typische waarden die ik eigenlijk gebruik als ik koellichamen op maat maak

Kort gezegd: het bulk-k-nummer is slechts de helft van het verhaal. Contactweerstand, oppervlakteafwerking, montagedruk en temperatuurafhankelijkheid bepalen meestal of uw CPU gas geeft of dat uw IGBT blijft leven.

Ik verlaag de laboratoriumcijfers altijd met minstens 30% bij first--ontwerpen, en meet vervolgens de werkelijke junctietemperatuur op de werkbank. Al het andere vraagt ​​om veldrendementen.