Onderzoekers van het Georgia Tech Research Institute (GTRI) zijn het ontwikkelen van een solide composiet materiaal om af te koelen kleine, krachtige micro-elektronica worden gebruikt in de verdediging systemen te helpen.
Het materiaal, bestaande uit zilver en diamant, belooft een uitzonderlijke mate van thermische geleidbaarheid in vergelijking met materialen die momenteel worden gebruikt voor deze toepassing.
Diamond materialen
Het onderzoek is gericht op het produceren van een zilver-diamant thermische shim van ongekende dun - 250 micron of minder. De verhouding van zilver naar diamant in het materiaal kan worden aangepast om de shim te verlijmen met een lage thermische uitzetting stress bij de high-power brede bandgap halfgeleiders gepland voor de volgende generatie phased array radars.
Thermische shims zijn nodig om warmte te trekken uit deze high-power halfgeleiders en over te dragen aan warmteafvoerende apparaten, zoals vinnen, ventilatoren of heat pipes. Omdat de halfgeleiders werken in zeer beperkte operationele ruimten, is het noodzakelijk dat de vulplaatjes worden gemaakt van een materiaal dat een hoge thermische geleidbaarheid packs in een kleine structuur.
Diamonds nemen het grootste deel van de thermische geleidbaarheid, terwijl zilver schorst de diamant deeltjes in de composiet en draagt bij aan hoge thermische geleidbaarheid, dat is 25 procent beter dan koper. Tot op heden, tests geven aan dat de zilver-diamant composiet presteert uitstekend op twee belangrijke gebieden - thermische geleidbaarheid en thermische expansie.
'We hebben al duidelijke prestatie voordelen waargenomen - een geschatte temperatuur daalt van 285 graden Celsius tot 181 graden Celsius - met behulp van een materiaal met 50 procent diamant in een 250-micron shim,' zei Jason Nadler, een GTRI research engineer die leidt het project.
De onderzoekers naderen diamant percentages die kunnen oplopen tot 85 procent, in een shim minder dan 250 micron dik. Deze verhoogde percentages van diamant zijn waardoor nog betere prestaties resultaten in het testen van prototypes.
Nadler voegde eraan toe dat deze nieuwe benadering van de zilver-diamond composieten definitieve overdracht van technologie belofte houdt. Geen enkel materiaal beschikbaar biedt deze combinatie van prestaties en dun.
Natural Thermal Dirigenten
Diamond is de meest thermisch geleidende natuurlijk materiaal, met een rating van ongeveer 2.000 watt per meter Kelvin, die een maat is van thermische efficiëntie. Zilver, die behoort tot de meest thermisch geleidende metalen, heeft een beduidend lagere rating - 400 watt per meter K.
Nadler legde uit dat het toevoegen van zilver nodig is om:
- bond de losse diamant deeltjes in een stabiele matrix;
- maken een nauwkeurige snijden van het materiaal om componenten van de exacte maten te vormen;
- overeen met thermische uitzetting aan die van de halfgeleider te koelen;
- een meer thermisch effectieve interface tussen de diamanten.
Nadler en zijn team gebruiken diamanten deeltjes, die lijken op zandkorrels, die kan worden gegoten in een vlakke vorm.
Het probleem is, een zand-achtig materiaal is niet goed bij elkaar houden. Een matrix van zilver - zacht, taai en kleverig - is nodig om bij elkaar te houden de diamant deeltjes en een robuuste composiet materiaal te bereiken.
Bovendien, omdat het kneedbare zilver matrix volledig de diamant deeltjes omringt, het ondersteunt het snijden van de composiet om de precieze afmetingen die nodig zijn om componenten zoals thermische shims te vormen. En zilver maakt deze componenten te binden gemakkelijk aan andere oppervlakken, zoals halfgeleiders.
Tailoring Thermische uitzetting
Als al het materiaal opwarmt, zet het uit op zijn eigen tempo, een gedrag wel bekend als de coëfficiënt van thermische uitzetting (CTE).
Wanneer structuren gemaakt uit verschillende materialen - zoals een brede-bandgap halfgeleider en een thermische vulplaatje - zijn verbonden, is het essentieel dat hun thermische-uitzettingscoëfficiënt identiek zijn. Gebonden materialen die uit te breiden met verschillende snelheden scheiden gemakkelijk.
Diamond heeft een zeer lage thermische uitzettingscoëfficiënt van ongeveer twee delen per miljoen / Kelvin (ppm / K). Maar de gebruikte materialen aan een brede bandgap halfgeleiders te maken - zoals siliciumcarbide of gallium nitride - hebben een hogere CTEs, over het algemeen in het bereik van drie tot vijf ppm / K.
Door het toevoegen van in precies de juiste percentage van zilver, dat een CTE van ongeveer 20 ppm / K heeft, de GTRI team kan op maat van de zilver-diamant composiet uit te breiden in hetzelfde tempo als het halfgeleidermateriaal. Door het afstemmen van thermische uitzetting-tarieven tijdens de verwarming en koeling, hebben de onderzoekers in staat de twee materialen om een sterke band te behouden.