Què és la conductivitat tèrmica?
La conductivitat tèrmica és la propietat que indica amb quina facilitat es mou la calor a través d'un material quan hi ha una diferència de temperatura a través d'ell. El símbol és k, o de vegades λ, i la unitat estàndard és W/(m·K). Si un material té un valor k elevat, la calor hi flueix ràpidament. Si k és baix, la calor es mou lentament.
He dedicat quinze anys a l'aïllament d'edificis i al disseny de-dissipadors de calor, i cada vegada que algú parla de "conductivitat tèrmica" sense context m'he de mossegar la llengua. Els números de full de dades es mesuren en condicions perfectes de laboratori. Les peces reals dels sistemes reals gairebé mai no veuen aquestes condicions exactes.
Valor de laboratori vs part real
La conductivitat tèrmica del laboratori es mesura en una mostra plana, neta i lliure de defectes{0}, amb una pressió de contacte perfecta i sense buits d'aire. Al camp hi ha rugositat superficial, capes d'òxid, variació de pressió de contacte i sovint una fina pel·lícula d'aire que mata la conductivitat efectiva. Un bloc de coure pot mostrar 400 W/(m·K) al llibre de text, però connecteu dos dissipadors de calor de coure amb una pressió de 2 MPa i teniu la sort de veure 50 000 W/(m²·K) a la interfície.
Metalls
El coure pur a temperatura ambient és d'uns 401 W/(m·K). El C10100 sense oxigen-és uns quants punts més alt, el C11000 comercial uns quants punts més baix. L'alumini 6061 té una potència de 167–180 W/(m·K) depenent del temperament. 6063 sol ser de 200–210 perquè està extruït i l'estructura del gra s'alinea millor. La plata pura supera tot a ~ 430, però ningú l'utilitza fora d'algunes cavitats de RF.
No-metalls que sorprenen a la gent
El diamant (CVD o cristall{0}}únic) fa entre 1000 i 2200 W/(m·K). L'utilitzem per a submuntatges de díodes làser-i portes GaN HEMT quan els diners no són objecte. El grafit en pla-(fulls pirolítics o de grafè) pot arribar a 1500–2000 al llarg del pla, baixa a 6 perpendiculars. Aquesta anisotropia és la raó per la qual heu de tenir cura de com orienteu els dispersors de calor de grafit als telèfons.
Ceràmiques i farcits
El nitrur d'alumini (AlN) és de 170-220 W/(m·K) en graus de producció. L'òxid de beril·li era de 250 a 300, però es va prohibir a la majoria de llocs. Les plaquetes de nitrur de bor (h-BN) us donen entre 300 i 600 en-pla quan s'alineen en un polímer, potser 30 a través del pla-. L'alúmina simple (Al2O3) només té un 30-35, però el 90% de les plaques LED encara la fan servir perquè és barata i dielèctrica.
Polímers i greixos
L'epoxi o poliuretà sense farcir és de 0,2 a 0,3 W/(m·K). Carregueu-lo amb un 70% vol d'alúmina o nitrur de bor i podeu empènyer 2–4 W/(m·K). Els coixinets tèrmics que compres a Digi-Key solen ser d'1 a 8 W/(m·K) a granel, però el veritable coll d'ampolla és la resistència de contacte a cada cara. Els materials de canvi de fase-comencen entre 3 i 5, les interfícies de metall líquid (gal·li) us poden portar per sobre de 30 si podeu viure amb el desastre.
Valors típics que faig servir quan dimensiono els dissipadors de calor
| Material | k a granel (W/m·K) @ 25 graus | Notes que la majoria de la gent oblida |
|---|---|---|
| Coure C10200 | 401 | Cau a ~380 a 100 graus |
| Alumini 6061-T6 | 167 | |
| Alumini 6063-T6 | 201 | |
| Diamant CVD | 1800–2200 | Només per a zones petites |
| Grafit pirolític (-en pla) | 1500–1700 | 6-10 de-de-avió |
| Ceràmica AlN | 170–220 | |
| Plata | 429 | Poques vegades utilitzat |
| Greix tèrmic (-alta) | 8–14 | La interfície domina de totes maneres |
| Arctic Silver 5 (referència antiga) | ~8.5 | Encara la gent de referència cita |
| Làmina d'indi (fosa de 53 graus) | 82 | Suau, s'ajusta perfectament |
Conclusió: el nombre k a granel és només la meitat de la història. La resistència de contacte, l'acabat de la superfície, la pressió de muntatge i la dependència de la temperatura solen decidir si la vostra CPU accelera o el vostre IGBT viu.
Sempre redueixo els números de laboratori com a mínim en un 30 % en els dissenys de primer-passe, i després mesuro la temperatura real de la unió al banc. Qualsevol altra cosa és demanar retorns de camp.