Čisti bakar je mjerilo za termičku brzinu u pločici, ali u najzahtjevnijim okruženjima visokog -fluksa-kao što su sistemi za hlađenje laserskih dioda, sklopovi detektora čestica i vojna-mikrovalna elektronika{3}}čak i bakar može postati ograničavajući faktor. Stoga se pojavila nova kategorija projektovanih termičkih materijala: srebrni-dijamantski kompoziti. Infiltracijom čvrsto zbijene matrice sintetičkih dijamantskih čestica sa rastopljenim srebrom, može se stvoriti ultra-brza struktura za termičko širenje koja značajno nadmašuje bakar i u provodljivosti i u toplotnoj difuziji.
Poređenje odsrebrni dijamantski kompozit u odnosu na difuzivnost bakrene pločeotkriva dramatičan skok u sposobnosti termičkog širenja, iako je praćen izuzetnom složenošću proizvodnje i troškovima.
Razumijevanje termičke difuzivnosti u pločici
Toplotna difuzivnost opisuje koliko brzo se toplina može kretati kroz materijal. Kod ploče, visoka difuzivnost je neophodna kada se intenzivna lokalizirana toplinska opterećenja moraju brzo širiti po većoj površini prije nego što se mogu stvoriti štetne vruće tačke.
Toplotna difuzivnost ovisi o tri osnovna svojstva materijala:
Toplotna provodljivost
Gustina
Specifični toplotni kapacitet
Materijal sa visokom toplotnom difuzijom skoro trenutno reaguje na toplotne gradijente, što ga čini idealnim za precizne sisteme upravljanja toplotom.
Čisti bakar se dugo smatrao jednim od najboljih praktičnih inženjerskih materijala za ovu svrhu jer je njegova toplotna provodljivost već izuzetno visoka, obično oko 390-400 W/m·K. Međutim, srebrni-kompoziti dijamanta još više povećavaju performanse.
Zašto su srebrni{0}}dijamantski kompoziti tako efikasni
Izvanredne performanse ovih kompozita proizlaze iz kombinovanja dva izuzetna toplotna provodnika u jednu projektovanu strukturu.
Dijamant ima najveću toplotnu provodljivost od svih poznatih rasutih materijala, često premašujući 2000 W/m·K u idealnim uslovima. U međuvremenu, srebro je najtopljiviji metal na raspolaganju.
Kada se ovi materijali pravilno kombinuju, može se postići kompozitna toplotna provodljivost iznad 500 W/m·K, a neke napredne formulacije dostižu čak i veće vrednosti u specijalizovanim uslovima proizvodnje.
Čestice dijamanta su sićušni, sjajni termalni superautoputevi, svi povezani brzim trakama srebra, stvarajući neprekidnu mrežu za prenos toplote kroz strukturu ploče.
Kao rezultat, toplinska difuzivnost postaje izuzetno visoka. Toplina uvedena na maloj tački na površini ploče može se gotovo odmah preraspodijeliti na mnogo veću površinu.
Poređenje performansi srebrnog-dijamantskog kompozita i bakrene ploče
Performanse od čistog bakra
Bakar ostaje dominantan materijal za termičko širenje za industrijske ploče jer nudi:
Odlična toplotna provodljivost
Relativno niska cijena
Dobra obradivost
Visoka dostupnost
Predvidljivo mehaničko ponašanje
Za mnoge industrijske sisteme grijanja i hlađenja, bakar već premašuje operativne zahtjeve.
Međutim, bakar počinje da se približava svojim fizičkim granicama kada je izložen:
Ekstremno visoke gustine toplotnog fluksa
Brza prolazna termička opterećenja
Minijaturna poluprovodnička ambalaža
Visoko{0}}termalni ciklus
U ovim uslovima, lokalizovani toplotni gradijenti se i dalje mogu razvijati brže nego što bakar može da širi toplotu.
Srebrne-Dijamantske kompozitne performanse
Analiza odsrebrni dijamantski kompozit u odnosu na difuzivnost bakrene pločepostaje posebno važno u aplikacijama gdje se ne mogu tolerirati čak ni mikroskopske vruće tačke.
Srebrni{0}}kompoziti dijamanata nude nekoliko ključnih prednosti:
Ekstremno visoka toplotna provodljivost
Toplotne provodljivosti veće od 500 W/m·K omogućavaju znatno brže širenje toplote od bakra.
Superiorna termička difuzivnost
Budući da se toplina kreće kroz kompozit izuzetnom brzinom, termalni šiljci se mogu izravnati prije nego što dođe do lokalnog pregrijavanja.
Podesiva termička ekspanzija
Jedna od najvažnijih inženjerskih prednosti je koeficijent toplinske ekspanzije (CTE). Promjenom udjela dijamanta u kompozitu, CTE se može prilagoditi tako da bolje odgovara poluvodičkim materijalima kao što su silicijum ili galijev arsenid.
Ova karakteristika je kritična u naprednoj elektronici, gdje neusklađena toplinska ekspanzija može proizvesti destruktivna naprezanja tokom ciklusa grijanja i hlađenja.
Smanjeno toplotno naprezanje na poluvodičkim uređajima
Bolje podudaranje CTE pomaže u smanjenju:
Die cracking
Zamor lemljenja
Delaminacija
Nagomilavanje interfacijalnog stresa
Bakar sam po sebi ne može da obezbedi ovaj stepen podešavanja ekspanzije.
Izazovi proizvodnje
Izuzetne termičke performanse dolaze sa jednako izuzetnim poteškoćama u proizvodnji.
Za proizvodnju gustog, ujednačenog srebrnog{0}}kompozita dijamanata potrebno je:
Precizno klasirane čestice sintetičkog dijamanata
Kontrolisana infiltracija rastaljenog srebra
Napredna vakuumska obrada
Pažljivo upravljanje međufaznim spajanjem
Proces je spor, tehnički zahtjevan i skup.
Osim toga, sam materijal je izuzetno tvrd zbog sadržaja dijamanata. Konvencionalne tehnike obrade postaju teške, uzrokujući brzo trošenje alata i produženo vrijeme proizvodnje.
Za izradu precizne geometrije ploče može biti potrebno specijalizirano brušenje, obrada električnom pražnjenjem ili dijamantski alat.
Troškovi u odnosu na performanse
Poboljšanje performansi u odnosu na bakar je neosporno, ali i povećanje troškova.
Srebrni-dijamantski kompoziti se smatraju jeftinim-bez-materijalima i općenito su rezervirani za primjene gdje se kvar ne može tolerirati ili gdje su konvencionalni materijali za termičko širenje već dosegli svoje granice.
Tipične primjene uključuju:
Napredni vojni radarski sistemi
Oružje usmjerene{0}}energije
Laserski diodni niz-nizovi velike snage
Satelitska elektronika
Detektori-fizike visoke energije
Specijalizovani vazdušni sistemi upravljanja toplotom
U ovim okruženjima, prednosti performansi opravdavaju ogroman trošak.
Za obične industrijske sisteme grijanja, međutim, bakar ostaje znatno ekonomičniji.
Sposobnost termičkog širenja u ekstremnim primenama
Prava prednost tehnologije srebrnog{0}}dijamanta se pojavljuje kada se toplotna energija mora preraspodijeliti gotovo trenutno.
U konvencionalnoj bakrenoj ploči, toplota se i dalje vrlo brzo širi, ali mikroskopska vruća područja mogu nakratko postojati prije nego što se ravnoteža razvije.
U srebrnoj-dijamantskoj kompozitnoj pločici, proces širenja topline postaje dramatično brži. Intenzivna termička opterećenja{2}}izvora mogu se razrijediti po površini ploče sa izuzetnom efikasnošću.
Ova sposobnost je posebno vrijedna za:
Poluprovodnička ambalaža{0}}visoke gustine
Impulsna energetska elektronika
Ultrabrzi laserski sistemi
Kriogeni detektorski sklopovi
Kombinacija visoke provodljivosti i prilagođene termičke ekspanzije stvara sistem materijala koji je jedinstveno prikladan za probleme upravljanja toplotom sljedeće-generacije.
Zaključak
Poređenje odsrebrni dijamantski kompozit u odnosu na difuzivnost bakrene pločepokazuje gornju granicu moderne tehnologije termičkog širenja. Bakar je i dalje jedan od najfinijih inženjerskih provodnika ikad široko rasprostranjenih, ali kompoziti srebra{1}}dijamanta ga nadmašuju kroz integraciju izuzetne kristalne toplotne provodljivosti dijamanta sa neusporedivom sposobnošću prenosa metalne toplote srebra.
Rezultat je elitni materijal za upravljanje toplotom koji je sposoban da širi intenzivna toplotna opterećenja sa zapanjujućom brzinom, a istovremeno nudi podesive karakteristike termičkog širenja za osetljivu integraciju poluprovodnika.
Kompromis-je zapanjujući trošak proizvodnje, u kombinaciji sa velikim poteškoćama obrade i ograničenom dostupnošću. Posljedično, srebrni-dijamantski kompoziti ostaju ograničeni na najnaprednije naučne, svemirske i vojne primjene gdje plafon performansi čistog bakra više nije dovoljan.
Najbrže moguće širenje topline se na kraju postiže kroz brak između najfinijeg metalnog provodnika i najfinijeg kristalnog provodnika, stvarajući{0}}bezkompromisni termalni superput za najzahtjevnije svjetske termalne sisteme.
