Чистата мед е еталон за термична скорост в плоча, но в най-взискателните среди с висок-поток-като системи за охлаждане с лазерни диоди, модули за детектори на частици и военна-микровълнова електроника-дори медта може да се превърне в ограничаващ фактор. Поради това се появи нова категория инженерни топлинни материали: сребърни-диамантени композити. Чрез инфилтриране на плътно опакована матрица от синтетични диамантени частици с разтопено сребро може да се създаде структура с ултра-бързо термично разпръскване, която значително превъзхожда медта както по проводимост, така и по коефициент на топлинна дифузия.
Сравнението насребърен диамантен композит срещу дифузия на медна плочаразкрива драматичен скок в способността за термично разпръскване, въпреки че е придружен от изключителна сложност на производството и цена.
Разбиране на термичната дифузия в плоча
Топлинната дифузивност описва колко бързо топлината може да се движи през даден материал. В плоча високата дифузия е от съществено значение, когато интензивните локализирани топлинни натоварвания трябва да се разпространят бързо върху по-голяма повърхност, преди да се образуват увреждащи горещи точки.
Коефициентът на топлопроводимост зависи от три основни свойства на материала:
Топлопроводимост
Плътност
Специфичен топлинен капацитет
Материал с висока коефициент на топлопроводимост реагира почти мигновено на термични градиенти, което го прави идеален за прецизни системи за управление на топлината.
Чистата мед отдавна се счита за един от най-добрите практични инженерни материали за тази цел, тъй като нейната топлопроводимост вече е изключително висока, обикновено около 390–400 W/m·K. Сребърните-диамантени композити обаче повишават ефективността още повече.
Защо сребърните-диамантени композити са толкова ефективни
Изключителната производителност на тези композити идва от комбинирането на два изключителни термични проводника в една единствена инженерна структура.
Диамантът притежава най-високата топлопроводимост от всички познати насипни материали, често надхвърляща 2000 W/m·K при идеални условия. Междувременно среброто е най-топлопроводимият наличен метал.
Когато тези материали се комбинират правилно, може да се постигне композитна топлопроводимост над 500 W/m·K, като някои усъвършенствани формули достигат дори по-високи стойности при специализирани производствени условия.
Диамантените частици са малки, блестящи топлинни супермагистрали, всички свързани от бързите ленти на среброто, създавайки непрекъсната мрежа за пренос на топлина в цялата структура на плочата.
В резултат на това коефициентът на топлопроводимост става изключително висок. Топлината, въведена в малка точка на повърхността на плочата, може да бъде преразпределена в много по-голяма площ почти веднага.
Сравняване на производителността на сребърен-диамант композит и медна пластина
Чиста медна производителност
Медта остава доминиращият материал за термично разпръскване за промишлени плочи, защото предлага:
Отлична топлопроводимост
Сравнително ниска цена
Добра обработваемост
Висока наличност
Предсказуемо механично поведение
За много промишлени системи за отопление и охлаждане медта вече надвишава експлоатационните изисквания.
Въпреки това, медта започва да се доближава до своите физически граници, когато е изложена на:
Изключително висока плътност на топлинния поток
Бързи преходни топлинни натоварвания
Миниатюризирана опаковка на полупроводници
Високо{0}}честотен термичен цикъл
При тези условия локализираните термични градиенти все още могат да се развиват по-бързо, отколкото медта може да разпространява топлината.
Сребърно-диамантено композитно представяне
Анализът насребърен диамантен композит срещу дифузия на медна плочастава особено важно в приложения, където дори микроскопични горещи точки не могат да бъдат толерирани.
Сребърните-диамантени композити предлагат няколко ключови предимства:
Изключително висока топлопроводимост
Обемната топлопроводимост над 500 W/m·K осигурява значително по-бързо разпространение на топлината от медта.
Превъзходна термична дифузия
Тъй като топлината се движи през композита с изключителна скорост, топлинните пикове могат да бъдат сплескани, преди да настъпи локално прегряване.
Регулируемо термично разширение
Едно от най-важните инженерни предимства включва коефициента на топлинно разширение (CTE). Чрез промяна на фракцията на диамантено натоварване в композита, CTE може да бъде пригоден за по-добро съвпадение с полупроводникови материали като силиций или галиев арсенид.
Тази характеристика е критична в съвременната електроника, където несъответстващото топлинно разширение може да предизвика разрушителни напрежения по време на цикли на нагряване и охлаждане.
Намален термичен стрес върху полупроводникови устройства
По-доброто съвпадение на CTE помага за намаляване на:
Напукване на матрицата
Умора от спойка
Разслояване
Натрупване на междинно напрежение
Медта сама по себе си не може да осигури тази степен на настройка на разширението.
Производствените предизвикателства
Забележителните топлинни характеристики идват със също толкова забележителни производствени трудности.
Производството на плътен, равномерен сребърен-диамантен композит изисква:
Прецизно градирани синтетични диамантени частици
Контролирано инфилтриране на разтопено сребро
Усъвършенствана вакуумна обработка
Внимателно управление на междуфазното свързване
Процесът е бавен, технически труден и скъп.
Освен това самият материал е изключително твърд поради съдържанието на диаманти. Конвенционалните техники за обработка стават трудни, причинявайки бързо износване на инструмента и удължено време за производство.
Може да се наложи специализирано шлайфане, електроерозионна обработка или диамантена инструментална екипировка за изработване на прецизни геометрии на плочата.
Цена срещу производителност
Подобряването на производителността спрямо медта е неоспоримо, но също и увеличението на разходите.
Сребърните-диамантени композити се считат за-без-материали за обекти и обикновено са запазени за приложения, където повредата не може да бъде толерирана или където конвенционалните материали за термично разпръскване вече са достигнали своите граници.
Типичните приложения включват:
Модерни военни радарни системи
Оръжия с-насочена енергия
Високо{0}}мощни лазерни диодни масиви
Сателитна електроника
Високо{0}}енергийни физични детектори
Специализирани аерокосмически системи за термично управление
В тези среди предимствата в производителността оправдават огромните разходи.
За основните промишлени отоплителни системи обаче медта остава значително по-икономична.
Възможност за термично разпръскване при екстремни приложения
Истинското предимство на сребърната-диамантена технология се появява, когато топлинната енергия трябва да се преразпредели почти мигновено.
В конвенционална медна плоча топлината все още се разпространява много бързо, но микроскопични горещи области могат да съществуват за кратко, преди да се развие равновесие.
В сребърна-диамантена композитна плоча процесът на разпространение на топлина става значително по-бърз. Интензивните точкови-топлинни натоварвания могат да бъдат разредени по повърхността на плочата с изключителна ефективност.
Тази способност е особено ценна за:
Полупроводникови опаковки с висока{0}}плътност
Импулсна силова електроника
Свръхбързи лазерни системи
Криогенни детектори
Комбинацията от висока проводимост и специално топлинно разширение създава материална система, уникално подходяща за следващо-проблеми с термичното управление.
Заключение
Сравнението насребърен диамантен композит срещу дифузия на медна плочадемонстрира горната граница на съвременната технология за термично разпръскване. Медта остава един от най-добрите инженерни проводници, широко разпространени някога, но сребърните-диамантени композити го надминават чрез интегрирането на изключителната кристална топлопроводимост на диаманта с несравнимата способност на среброто за пренасяне на топлина върху метал.
Резултатът е елитен материал за термично управление, способен да разпространява интензивни топлинни натоварвания с удивителна скорост, като същевременно предлага регулируеми характеристики на топлинно разширение за чувствителна интеграция на полупроводници.
Компромисът-е зашеметяващата производствена цена, съчетана със сериозна трудност при обработката и ограничена наличност. Следователно сребърните-диамантени композити остават ограничени до най-напредналите научни, космически и военни приложения, където таванът на производителността на чистата мед вече не е достатъчен.
Най-бързото възможно разпространение на топлината в крайна сметка се постига чрез съединяване между най-финия метален проводник и най-финия кристален проводник, създавайки без{0}}компромисна топлинна супермагистрала за най-взискателните топлинни системи в света.
