Čo je tepelná vodivosť?
Tepelná vodivosť je vlastnosť, ktorá vám hovorí, ako ľahko sa teplo pohybuje materiálom, keď je v ňom teplotný rozdiel. Symbol je k alebo niekedy λ a štandardná jednotka je W/(m·K). Ak má materiál vysokú hodnotu k, teplo ním rýchlo prúdi. Ak je k nízke, teplo sa pohybuje pomaly.
Strávil som pätnásť rokov izoláciou budov a navrhovaním{0}}chladičov a zakaždým, keď niekto prehodí „tepelnú vodivosť“ bez kontextu, musím si zahryznúť do jazyka. Čísla údajových listov sa merajú v perfektných laboratórnych podmienkach. Skutočné časti v reálnych systémoch takmer nikdy nevidia tieto presné podmienky.
Laboratórna hodnota verzus skutočná časť
Laboratórna tepelná vodivosť sa meria na plochej, čistej vzorke bez defektov-s dokonalým kontaktným tlakom a bez vzduchových medzier. V teréne máte drsnosť povrchu, oxidové vrstvy, kolísanie kontaktného tlaku a často tenký vzduchový film, ktorý ničí efektívnu vodivosť. Medený blok môže v učebnici ukazovať 400 W/(m·K), ale priskrutkujte dva medené chladiče spolu s tlakom 2 MPa a máte šťastie, že na rozhraní vidíte 50 000 W/(m²·K).
Kovy
Čistá meď pri izbovej teplote je okolo 401 W/(m·K). C10100 bez{2}}kyslíka je o niekoľko bodov vyššie, komerčné C11000 o niekoľko bodov nižšie. Hliník 6061 má výkon 167–180 W/(m·K) v závislosti od teploty. 6063 je zvyčajne 200–210, pretože je extrudovaný a štruktúra zŕn je lepšia. Čisté striebro poráža všetko pri ~430, ale nikto ho nepoužíva mimo niekoľkých RF dutín.
Nekovové{0}}kovy, ktoré ľudí prekvapujú
Diamant (CVD alebo jeden{0}}kryštál) má výkon 1 000 – 2 200 W/(m·K). Používame ho pre podchyty laserových-diód a brány GaN HEMT, keď peniaze nie sú predmetom. Grafit v-rovine (pyrolytické alebo grafénové dosky) môže zasiahnuť 1 500 – 2 000 pozdĺž roviny, klesá na 6 kolmých. Táto anizotropia je dôvod, prečo si musíte dávať pozor, ako orientujete grafitové rozdeľovače tepla v telefónoch.
Keramika a plnivá
Nitrid hliníka (AlN) je vo výrobných triedach 170–220 W/(m·K). Oxid berýlinatý bol 250-300, ale na väčšine miest bol zakázaný. Krvné doštičky z nitridu bóru (h-BN) vám poskytnú 300 – 600 v-rovine, keď sú zarovnané v polyméri, možno 30 v-rovine. Obyčajný oxid hlinitý (Al2O3) je len 30–35, no 90 % LED dosiek ho stále používa, pretože je lacný a dielektrický.
Polyméry a tuky
Neplnený epoxid alebo polyuretán je 0,2–0,3 W/(m·K). Naplňte ho 70 % obj. oxidu hlinitého alebo nitridu bóru a môžete stlačiť 2–4 W/(m·K). Tepelné podložky, ktoré si kúpite od spoločnosti Digi-Key, majú zvyčajne objem 1–8 W/(m·K), ale skutočným problémom je prechodový odpor na každej strane. Materiály s fázovou{11}}menou začínajú na 3 – 5, rozhrania s tekutým kovom (gálium) vás môžu dostať nad 30, ak dokážete žiť s neporiadkom.
Typické hodnoty, ktoré skutočne používam pri veľkosti chladičov
| Materiál | Objemové k (W/m·K) @ 25 stupňov | Poznámky väčšina ľudí zabúda |
|---|---|---|
| Meď C10200 | 401 | Klesá na ~380 pri 100 stupňoch |
| Hliník 6061-T6 | 167 | |
| Hliník 6063-T6 | 201 | |
| CVD diamant | 1800–2200 | Len pre malé oblasti |
| Pyrolytický grafit (v-rovine) | 1500–1700 | 6 – 10 z-z-lietadla |
| AlN keramika | 170–220 | |
| Strieborná | 429 | Málo používané |
| Tepelné mazivo (vyššie-endové) | 8–14 | Rozhranie každopádne dominuje |
| Arctic Silver 5 (stará referencia) | ~8.5 | Stále benchmark ľudia citujú |
| Indium fólia (tavenie 53 stupňov) | 82 | Mäkký, perfektne sa prispôsobí |
Zrátané a podčiarknuté: hromadné číslo k je len polovica príbehu. Kontaktný odpor, povrchová úprava, montážny tlak a teplotná závislosť zvyčajne rozhodujú o tom, či bude žiť váš procesor alebo IGBT.
Vždy znížim počty laboratórií aspoň o 30 % pri návrhoch prvého-prejazdu a potom zmeriam skutočnú teplotu spoja na skúšobnej stolici. Čokoľvek iné vyžaduje návratnosť z poľa.