مس جامد یک بزرگراه حرارتی است، اما هنگامی که گرم می شود مانند یک کنسرتین منبسط می شود. در یک صفحه چند لایه دقیق، این انبساط می تواند آن را از اجزای سرامیکی یا سیلیکونی همسایه خود جدا کند. مس-تنگستن (CuW) یک کامپوزیت مهندسی شده است که این انبساط حرارتی وحشی را با قرار دادن ذرات تنگستن سفت و کم{4} در مس نرم و رسانا رام میکند. قیمت این پایداری ابعادی با کاهش جزئی در توانایی مواد برای پخش سریع گرما پرداخت می شود.
مبانی انتشار حرارتی
انتشار حرارتی، سرعتی که در آن گرما در یک ماده پخش می شود، معیار مهمی در طراحی صفحه است. مس خالص نفوذ حرارتی بسیار بالایی دارد، حدود 115 میلیمتر مربع بر ثانیه، که باعث میشود در توزیع گرما بسیار سریع باشد. در یک کامپوزیت CuW، با معمولاً 20٪ تا 40٪ تنگستن حجمی، انتشار به نسبت کمتر است-شاید 70-90 mm²/s{8}} زیرا تنگستن گرما را به طور مؤثرتر از مس هدایت می کند و جرم کامپوزیت را افزایش می دهد.
تنگستن به عنوان یک لنگر حرارتی و مکانیکی عمل می کند، انبساط وحشی مس را کند می کند و سرعت حرارتی آن را کمی کاهش می دهد، در حالی که رسانایی کافی برای پخش موثر گرما را حفظ می کند.
ضریب انبساط حرارتی و هارمونی ابعادی
مزیت اصلی کامپوزیت CuW در ضریب انبساط حرارتی قابل تنظیم آن (CTE) نهفته است. CuW CTE را می توان بین ~ 6.5 و ~ 9.0 × 10-6 / درجه مهندسی کرد، در مقایسه با مس خالص ~17 × 10-6 / درجه. این انبساط متناسب به صفحه کامپوزیت اجازه می دهد تا کاملاً با CTE اجزای ظریف مانند ویفرهای سیلیکونی یا زیرلایه های سرامیکی مطابقت داشته باشد.
تولید معمولاً با نفوذ به یک اسکلت تنگستن متخلخل با مس مذاب انجام می شود و یک پیوند متالورژیکی ایجاد می کند که رسانش حرارت مس را با ثبات ابعادی تنگستن ترکیب می کند. بنابراین کامپوزیت ماده انتخابی برای پخشکنندههای حرارتی نیمههادی با قدرت بالا و صفحات گرمایشی خاص است که در آنها تطابق کامل CTE غیرقابل مذاکره است. مهندسان مقداری از سرعت حرارتی مس را با هماهنگی ابعادی مطلق معامله می کنند.
کامپوزیت CuW در مقابل انتشار حرارتی صفحه مسی
مقایسه نفوذ حرارتی کامپوزیت CuW در مقابل صفحه مسی، سازش متالورژی کلاسیک را نشان می دهد:
مس جامد:نفوذ حرارتی بالا (~115 میلی متر مربع در ثانیه)، CTE بالا (~17 × 10-6/ درجه)، پخش سریع حرارت، تطابق ابعادی ضعیف با سرامیک و سیلیکون.
کامپوزیت CuW:انتشار حرارتی متوسط (~70-90 mm²/s)، CTE کم و قابل تنظیم (~6.5-9.0 × 10-6/ درجه)، انتشار حرارت کمی کندتر، تطابق ابعادی عالی با مواد حساس.
محتوای تنگستن هم بهعنوان یک تثبیتکننده حرارتی و هم مکانیکی عمل میکند، و تضمین میکند که صفحه صاف و قابل پیشبینی در هنگام چرخه دمای بالا باقی میماند، در حالی که همچنان عملکرد حرارتی کافی را برای کاربردهای سخت ارائه میکند.
نتیجه گیری
صفحه کامپوزیت CuW شاهکار سازش متالورژیکی است. این مقداری از نفوذ حرارتی سریع مس را قربانی می کند تا ثبات ابعادی تسلیم ناپذیر تنگستن را به دست آورد و یک پلت فرم حرارتی هماهنگ برای زیرلایه های حساس ایجاد کند. در کاربردهای گرمایش دقیق، بهترین عملکرد همیشه در مورد حداکثر سرعت نیست{2}}بلکه مطابقت کامل با الزامات حرارتی و مکانیکی قطعه کار است.
