De 7 hovedvarmerektorer

De viktigste varmeledere er metaller og diamanter, sammensatt av metallmatrise, sammensatt av karbonmatrise, karbon, grafitt og keramisk matrikskompositter.

Termisk ledningsevne er en materiell egenskap som beskriver evnen til å lede varme og kan defineres som: "Mengden varme som overføres gjennom en tykkelse av et materiale - i normal retning til et overflateareal av enhetsareal - på grunn av en enhetstemperaturgradient under stabil tilstand »(Engineering ToolBox, SF).

Med andre ord, termisk ledning er overføringen av termisk energi mellom partikler av materie som berører. Termisk ledning oppstår når partikler med varmere materiale kolliderer med kaldere partikkelpartikler og overfører noe av deres termiske energi til kaldere partikler.

Kjøring er vanligvis raskere i visse faste stoffer og væsker enn i gasser. Materialene som er gode ledere av termisk energi kalles termiske ledere.

Metaller er spesielt gode termiske ledere fordi de har elektroner som beveger seg fritt og kan overføre varmeenergi raskt og enkelt (CK-12 Foundation, SF).

Generelt er gode ledere av elektrisitet (metaller som kobber, aluminium, gull og sølv) også gode ledere av varme, mens elektrisitetsisolatorer (tre, plast og gummi) er dårlige ledere av varme.

Den kinetiske energien (gjennomsnitt) av et molekyl i den varme kroppen er høyere enn i den kaldeste kroppen. Hvis to molekyler kolliderer, oppstår en overføring av energi fra det varme til det kalde molekylet.

Den kumulative effekten av alle kollisjoner resulterer i en nettstrøm av varme fra den varme kroppen til den kaldeste kroppen (SantoPietro, SF).

Høy termisk ledningsevne materialer

Varme varmeledningsevne materialer er nødvendig for varmeledning for å varme eller kjøle seg. Et av de mest kritiske behovene er elektronikkindustrien.

På grunn av miniatyrisering og økt kraft av mikroelektronikk er varmeavledning nøkkelen til pålitelighet, ytelse og miniatyrisering av mikroelektronikk.

Termisk ledningsevne avhenger av mange egenskaper av et materiale, spesielt dets struktur og temperatur.

Termisk ekspansjonskoeffisient er spesielt viktig siden det indikerer at et materiale kan ekspandere med varme.

Metaller og diamanter

Kobber er det mest brukte metallet når høye termiske ledningsevne materialer kreves.

Kobber antar imidlertid en høy koeffisient av termisk ekspansjonskoeffisient (CTE). Invar-legeringen (64% Fe ± 36% Ni) er eksepsjonelt lav i CET mellom metaller, men er svært dårlig i termisk ledningsevne.

Diamanten er mer attraktiv, siden den har en meget høy termisk ledningsevne og lav CET, men det er dyrt (Termisk ledningsevne, SF).

Aluminium er ikke så ledende som kobber, men har en lav tetthet, som er attraktiv for flyelektronikk og applikasjoner (for eksempel bærbare datamaskiner) som krever lav vekt.

Metaller er termiske og elektriske ledere. For applikasjoner som krever termisk ledningsevne og elektrisk isolasjon, kan egnede diamanter og keramiske materialer brukes, men ikke-metaller kan brukes.

Metallmatriksforbindelser

En måte å redusere CTE av et metall på er å danne et metallmatriks-kompositt ved hjelp av et lavt CTE-fyllstoff.

Til dette formål blir keramiske partikler som AlN og silisiumkarbid (SiC) brukt på grunn av deres kombinasjon av høy termisk ledningsevne og lav CTE.

Siden fyllingen vanligvis har en lavere CTE og en lavere termisk ledningsevne enn metallmatrisen, jo høyere volumfraksjonen av ladningen i kompositten, desto lavere blir CTE og jo lavere er termisk ledningsevne.

Karbonmatriksforbindelser

Karbon er en attraktiv matrise for termiske ledningsforbindelser på grunn av dens termiske ledningsevne (men ikke så høy som metaller) og lav CTE (lavere enn metallets).

I tillegg er karbon motstandsdyktig mot korrosjon (mer motstandsdyktig mot korrosjon enn metaller) og dens lave vekt.

En annen fordel ved karbonmatrisen er dens kompatibilitet med karbonfibre, i motsetning til den vanlige reaktiviteten mellom en metallmatrise og dens ladninger.

Derfor er karbonfibre det dominerende fyllstoffet for karbonmatrikskompositter.

Karbon og grafitt

Et fullt karbonmateriale fremstilt ved konsolidering av karbonforstadiumkarboner orientert uten bindemiddel og påfølgende karbonisering og valgfri grafitisering, har en termisk ledningsevne som strekker seg fra 390 til 750 W / mK i fiberens fibermateriale.

Et annet materiale er pyrolytisk grafitt (kalt TPG) innkapslet i et strukturelt skall. Grafitt (veldig strukturert med kornets c-akser, fortrinnsvis vinkelrett på grafittets plan), har en termisk ledningsevne i 1700 W / m K-planet (fire ganger kobberet), men er mekanisk svakt grunnet tendensen til kutt i grafittplanet.

Keramiske matriksforbindelser

Borosilikatglassmatrisen er attraktiv på grunn av sin lave dielektriske konstant (4.1) sammenlignet med den av AlN (8, 9), aluminiumoksyd (9, 4), SiC (42), BeO (6, 8), kubisk bornitrid (7.1), diamant (5.6) og glass ± keramisk (5.0).

En lav verdi av den dielektriske konstanten er ønskelig for elektroniske emballasjeapplikasjoner. På den annen side har glasset lavt termisk ledningsevne.

SiC-matrisen er attraktiv på grunn av sin høye CTE sammenlignet med karbonmatrisen, selv om den ikke er så termisk ledende som karbon.

CTE for karbon + karbonforbindelser er for lav, noe som resulterer i redusert tretthetslengde i chip-on-board (COB) applikasjoner med silisiumdioksydbrikker.

SiC matriks-karbonkomposittet består av en karbon-karbonforbindelse som omdanner karbonmatrisen til SiC (Chung, 2001).