Što je toplinska vodljivost?

Toplinska vodljivost je svojstvo koje vam govori koliko lako toplina prolazi kroz materijal kada postoji temperaturna razlika preko njega. Simbol je k, ili ponekad λ, a standardna jedinica je W/(m·K). Ako materijal ima visoku vrijednost k, toplina brzo teče kroz njega. Ako je k nizak, toplina se kreće sporo.

Proveo sam petnaest godina u projektiranju izolacije zgrada i-odvoda topline i svaki put kad netko nabaci "toplinska vodljivost" bez konteksta, moram se ugristi za jezik. Brojevi u podatkovnoj tablici mjereni su u savršenim laboratorijskim uvjetima. Stvarni dijelovi u stvarnim sustavima gotovo nikad ne vide te točne uvjete.

Laboratorijska vrijednost u odnosu na stvarni dio

Laboratorijska toplinska vodljivost mjeri se na ravnom, čistom uzorku-bez oštećenja sa savršenim kontaktnim tlakom i bez zračnih otvora. Na terenu imate hrapavost površine, slojeve oksida, varijacije kontaktnog tlaka i često tanki zračni film koji ubija efektivnu vodljivost. Bakreni blok može pokazati 400 W/(m·K) u udžbeniku, ali spojite dva bakrena hladnjaka zajedno s tlakom od 2 MPa i sretni ste što vidite 50 000 W/(m²·K) na sučelju.

Metali

Čisti bakar na sobnoj temperaturi je oko 401 W/(m·K). C10100 bez kisika je nekoliko bodova viši, komercijalni C11000 nekoliko bodova niži. Aluminij 6061 ima 167–180 W/(m·K) ovisno o temperamentu . 6063 je obično 200–210 jer je ekstrudiran i struktura zrna je bolje poravnata. Čisto srebro pobjeđuje sve na ~430, ali nitko ga ne koristi izvan nekoliko RF šupljina.

Ne-metali koji iznenađuju ljude

Dijamant (CVD ili mono-kristal) radi 1000–2200 W/(m·K). Koristimo ga za podnošenja laser-dioda i GaN HEMT vrata kada novac nije problem. Grafit u -ravnini (pirolitički ili grafenski listovi) može udariti 1500–2000 duž ravnine, pada na 6 okomito. Zbog te anizotropije morate paziti kako usmjeravate grafitne raspršivače topline u telefonima.

Keramika i punila

Aluminijev nitrid (AlN) iznosi 170–220 W/(m·K) u proizvodnim stupnjevima. Berilijev oksid je bio 250-300, ali je zabranjen na većini mjesta. Trombociti borovog nitrida (h-BN) daju vam 300-600 u-ravnini kada su poredani u polimeru, možda 30 kroz-ravninu. Obični aluminijev oksid (Al2O3) ima samo 30–35, no 90 % LED ploča ga još uvijek koristi jer je jeftin i dielektričan.

Polimeri i masti

Epoksid ili poliuretan bez punila je 0,2–0,3 W/(m·K). Napunite ga sa 70 vol% glinice ili bor nitrida i možete pojačati 2–4 W/(m·K). Termalni jastučići koje kupujete kod Digi-Keya obično imaju 1–8 W/(m·K), ali pravo usko grlo je kontaktni otpor na svakoj strani. Faza{11}}promjene materijala počinje od 3–5, sučelja s tekućim metalom (galijem) mogu vam dati iznad 30 ako možete živjeti s neredom.

Tipične vrijednosti koje zapravo koristim kada dimenzioniram hladnjake

Zaključak: skupni broj k samo je pola priče. Otpor kontakta, završna obrada površine, tlak ugradnje i ovisnost o temperaturi obično odlučuju hoće li vaš CPU prigušiti ili će vaš IGBT preživjeti.

Uvijek smanjim laboratorijske brojke za najmanje 30 % na prvom-projektu, a zatim izmjerim stvarnu temperaturu spoja na stolu. Sve drugo zahtijeva povrate s terena.