De 7 huvudvärmekonduktorerna

De viktigaste värmeledarna är metaller och diamanter, som består av metallmatris, som består av kolmatris, kol, grafit och keramisk matris kompositer.

Värmeledningsförmåga är en materiell egenskap som beskriver förmågan att leda värme och kan definieras som: "Mängden värme som överförs genom en materialtjocklek av ett material - i normal riktning till en yta av enhetsarean - på grund av en temperaturgradient under stabila förhållanden »(Engineering ToolBox, SF).

Med andra ord är termisk ledning överföringen av termisk energi mellan materialpartiklar som berörs. Termisk ledning uppstår när partiklar av varmare materia kolliderar med kallare partikelpartiklar och överför någon av sin termiska energi till kallare partiklar.

Körning är oftast snabbare i vissa fasta ämnen och vätskor än i gaser. De material som är goda ledare för termisk energi kallas värmeledare.

Metaller är speciellt bra värmeledare eftersom de har elektroner som rör sig fritt och kan snabbt och enkelt överföra värmeenergi (CK-12 Foundation, SF).

I allmänhet är bra ledare av el (metaller som koppar, aluminium, guld och silver) också bra ledare av värme, medan elisolatorer (trä, plast och gummi) är dåliga ledare av värme.

Den kinetiska energin (medelvärdet) för en molekyl i den varma kroppen är högre än i den kallaste kroppen. Om två molekyler kolliderar sker en överföring av energi från den heta till den kalla molekylen.

Den kumulativa effekten av alla kollisioner resulterar i ett nettoflöde av värme från den varma kroppen till den kallaste kroppen (SantoPietro, SF).

Höga värmeledningsförmåga material

Hög värmeledningsförmåga krävs för värmeledning för att värma eller svalna. Ett av de mest kritiska behoven är elektronikindustrin.

På grund av miniatyrisering och ökad effekt av mikroelektronik är värmeavledning nyckel för tillförlitlighet, prestanda och miniatyrisering av mikroelektronik.

Värmeledningsförmågan beror på många egenskaper hos ett material, särskilt dess struktur och temperatur.

Värmeutvidgningskoefficienten är särskilt viktig eftersom det indikerar att ett material kan expandera med värme.

Metaller och diamanter

Koppar är den vanligaste metallen när höga värmeledningsförmåga krävs.

Emellertid antar koppar en hög koefficient för termisk expansionskoefficient (CTE). Invarlegeringen (64% Fe ± 36% Ni) är exceptionellt låg i CET mellan metaller, men är väldigt dålig i värmeledningsförmågan.

Diamanten är mer attraktiv, eftersom den har en mycket hög värmeledningsförmåga och en låg CET, men det är dyrt (termisk ledningsförmåga, SF).

Aluminium är inte så ledande som koppar, men har en låg densitet, vilket är attraktivt för flygplanelektronik och applikationer (till exempel bärbara datorer) som kräver låg vikt.

Metaller är termiska och elektriska ledare. För tillämpningar som kräver värmeledningsförmåga och elektrisk isolering kan lämpliga diamanter och keramiska material användas, men icke-metaller kan användas.

Metallmatrisföreningar

Ett sätt att reducera CTE av en metall är att bilda en metallmatriskomposit med ett lågt CTE-fyllmedel.

För detta ändamål används keramiska partiklar, såsom AlN och kiselkarbid (SiC), på grund av deras kombination av hög värmeledningsförmåga och låg CTE.

Eftersom fyllningen vanligen har en lägre CTE och en lägre värmeledningsförmåga än metallmatrisen, desto högre volymfraktion av laddning i kompositen, desto lägre CTE och desto lägre värmeledningsförmåga.

Kolmatrisföreningar

Kol är en attraktiv matris för termiska ledningsföreningar på grund av dess värmeledningsförmåga (men inte lika hög som metaller) och låg CTE (lägre än metallets).

Dessutom är kolet korrosionsbeständigt (mer motståndskraftigt mot korrosion än metaller) och dess låga vikt.

En annan fördel med kolmatrisen är dess kompatibilitet med kolfibrer, i motsats till den gemensamma reaktiviteten mellan en metallmatris och dess laddningar.

Kolfibrer är därför det dominerande fyllmedlet för kolmatriskompositer.

Kol och grafit

Ett fullständigt kolmaterial framställt genom konsolidering av kolprekursorkolorer orienterade utan bindemedel och efterföljande karbonisering och eventuell grafitisering har en värmeledningsförmåga som sträcker sig från 390 till 750 W / mK i materialets Fiber.

Ett annat material är pyrolytisk grafit (kallad TPG) innesluten i ett strukturellt skal. Grafit (mycket strukturerad med kornets c-axlar, företrädesvis vinkelrätt mot grafitens plan) har en värmeledningsförmåga i 1700 W / m K-planet (fyra gånger koppar), men är mekaniskt svag på grund av tendensen att skär i grafitplanet.

Keramiska matrisföreningar

Borosilikatglasmatrisen är attraktiv på grund av sin låga dielektriska konstant (4.1) jämfört med AlN (8, 9), aluminiumoxid (9, 4), SiC (42), BeO (6, 8), kubisk bornitrid (7.1), diamant (5.6) och glas ± keramik (5.0).

Ett lågt värde av den dielektriska konstanten är önskvärd för elektroniska förpackningsapplikationer. Å andra sidan har glaset en låg värmeledningsförmåga.

SiC-matrisen är attraktiv på grund av sin höga CTE jämfört med kolmatrisen, även om den inte är så termiskt ledande som kol.

CTE för kol + kolföreningarna är för låg, vilket resulterar i minskat trötthetsliv i chip-on-board (COB) applikationer med kiseldioxidflis.

SiC-matriskollekompositen består av en kol-kolförening som omvandlar kolmatrisen till SiC (Chung, 2001).