Cos'è la conduttività termica?
La conduttività termica è la proprietà che indica la facilità con cui il calore si muove attraverso un materiale quando c'è una differenza di temperatura attraverso di esso. Il simbolo è k, o talvolta λ, e l'unità standard è W/(m·K). Se un materiale ha un valore k elevato, il calore lo attraversa velocemente. Se k è basso, il calore si muove lentamente.
Ho dedicato quindici anni alla progettazione di isolamenti edili e dissipatori di calore-e ogni volta che qualcuno parla di "conduttività termica" senza contesto devo mordermi la lingua. I numeri delle schede tecniche sono misurati in perfette condizioni di laboratorio. Le parti reali nei sistemi reali non vedono quasi mai quelle condizioni esatte.
Valore di laboratorio rispetto alla parte reale
La conduttività termica di laboratorio viene misurata su un campione piatto, pulito,-privo di difetti con una pressione di contatto perfetta e senza spazi d'aria. Sul campo si verificano rugosità superficiali, strati di ossido, variazioni della pressione di contatto e spesso un sottile film d'aria che uccide la conduttività effettiva. Un blocco di rame potrebbe mostrare 400 W/(m·K) nel libro di testo, ma fissa due dissipatori di calore in rame insieme con una pressione di 2 MPa e sei fortunato a vedere 50 000 W/(m²·K) all'interfaccia.
Metalli
Il rame puro a temperatura ambiente è di circa 401 W/(m·K). Il C10100 senza ossigeno-è qualche punto più alto, il C11000 commerciale qualche punto più in basso. L'alluminio 6061 ha un valore di 167–180 W/(m·K) a seconda della tempra. 6063 è solitamente 200–210 perché è estruso e la struttura dei grani si allinea meglio. L'argento puro batte tutto a ~430, ma nessuno lo usa al di fuori di alcune cavità RF.
Non-metalli che sorprendono le persone
Il diamante (CVD o cristallo singolo-) ha una potenza di 1.000–2.200 W/(m·K). Lo usiamo per i submount dei diodi laser-e i gate GaN HEMT quando il denaro non è un problema. La grafite nel piano- (fogli pirolitici o di grafene) può raggiungere 1500–2000 lungo il piano, scendendo a 6 perpendicolare. Questa anisotropia è il motivo per cui devi stare attento a come orientare i diffusori di calore in grafite nei telefoni.
Ceramiche e riempitivi
Il nitruro di alluminio (AlN) è 170–220 W/(m·K) nei gradi di produzione. L'ossido di berillio era 250-300 ma è stato vietato nella maggior parte dei luoghi. Le piastrine di nitruro di boro (h-BN) forniscono 300–600 nel-piano quando allineate in un polimero, forse 30 nel-piano. L'allumina normale (Al2O3) è solo il 30-35, ma il 90% delle schede LED la utilizza ancora perché è economica e dielettrica.
Polimeri e grassi
La resina epossidica o il poliuretano non riempiti sono 0,2–0,3 W/(m·K). Caricalo con allumina al 70% in volume o nitruro di boro e puoi spingere 2–4 W/(m·K). I cuscinetti termici acquistati da Digi-Key hanno solitamente un volume di 1–8 W/(m·K), ma il vero collo di bottiglia è la resistenza di contatto su ciascuna faccia. I materiali a cambiamento di fase-iniziano da 3 a 5, le interfacce di metallo liquido (gallio) possono portarti oltre 30 se riesci a convivere con il disordine.
Valori tipici che utilizzo effettivamente quando dimensiono i dissipatori di calore
| Materiale | Massa k (W/m·K) a 25 gradi | Note che la maggior parte delle persone dimentica |
|---|---|---|
| Rame C10200 | 401 | Scende a ~380 a 100 gradi |
| Alluminio 6061-T6 | 167 | |
| Alluminio 6063-T6 | 201 | |
| diamante CVD | 1800–2200 | Solo per aree minuscole |
| Grafite pirolitica (nel-piano) | 1500–1700 | 6-10 su-di-aereo |
| Ceramica AlN | 170–220 | |
| Argento | 429 | Usato raramente |
| Grasso termico (fascia-alta) | 8–14 | L'interfaccia domina comunque |
| Arctic Silver 5 (vecchio riferimento) | ~8.5 | È ancora il punto di riferimento citato dalle persone |
| Foglio di indio (fusione a 53 gradi) | 82 | Morbido, si adatta perfettamente |
In conclusione: il numero k in blocco è solo metà della storia. La resistenza dei contatti, la finitura superficiale, la pressione di montaggio e la dipendenza dalla temperatura di solito determinano se la CPU rallenta o l'IGBT resiste.
Riduco sempre i numeri di laboratorio di almeno il 30% nei progetti di primo-passaggio, quindi misuro la temperatura di giunzione effettiva sul banco. Qualsiasi altra cosa richiede risposte sul campo.