금속 열제거원을 위한 고급 재료 과학: 전자 열전도 메커니즘에서 다단계 미세 구조 조절에 이르기까지
소개: 금속 열전도의 다중 스케일 물리적 이미지
금속 열 싱크의 필수적인 기능은 효율적인 열 전달을 달성하는 것입니다. 그러나 "구리가 스테인리스강보다 2배 더 빨리 열을 전도하는 이유"에 대한 답은 응축 물질 물리학에서 열을 전달하는 입자의 전달 메커니즘에 뿌리를 두고 있습니다. 금속 결정에서 열전도는 자유 전자 가스와 격자 진동 음파에 의해 수행됩니다. 자유 전자의 기여가 지배합니다(Wiedemann-Franz 법칙은 전자 열 전도도와 전기 전도성 사이의 비례 관계를 확인합니다). 이는 전자 이동성에 영향을 미치는 미세한 결함(점 결함, 이탈, 곡물 경계, 2상
고성능 열제거원의 설계는 본질적으로 강도, 기계성 및 내식성의 엔지니어링 요구 사항을 충족한다는 전제 하에 열전도 캐리어에서 미세 구조의 산란 단면을 최소화하기 위한 것입니다. 이를 위해서는 재료 과학자들이 합금 구성과 열처리 방식을 설계하기 위해 원자 규모에 깊이 침투해야 합니다.
순수 금속 시스템의 한계와 모순
산업용 순수 구리(Cu≥99.9%)의 열전도율은 상온에서 약 398W/(m·K), 순수 알루미늄(Al≥99.5%)은 약 237W/(m·K)이다. 그러나 순수 금속의 기계적 특성은 매우 좋지 않습니다. 순수 구리의 항복 강도는 약 70MPa에 불과하고 순수 알루미늄의 항복 강도는 50MPa 미만입니다. 기계적 조립 응력, 진동 충격 또는 나사산 연결을 견뎌야 하는 열제거원에서 순수 금속은 쉽게 변형되고 미끄러질 수 있습니다. 따라서 실제 열제거원은 예외
합금 비용은 고체 용액 원자의 도입입니다. 0.5% 주석을 구리(청동을 형성하기 위해)에 용해하면 열전도율이 약 150W/(m·K)로 떨어지고, 5% 실리콘을 알루미늄(주조 알루미늄 합금)에 용해하면 열전도율이 약 150-180W/(m·K)로 떨어집니다. 이러한 감쇠는 고체 원자와 매트릭스 원자 사이의 크기 불일치로 인한 국소 격자 왜곡으로 인해 전파되는 전자파의 강한 산란을 생성합니다. 양적으로 매티슨 규칙에 따르면 합금의 총 저항성은 매트릭스 저항성과 불순물의 산란으로 인한 잔류 저항성의 합으로 분해될 수 있으며, 불순물 농도의 초기 증가에 따라 약 열전도율이 감소합니다.
III. 알루미늄 합금 등급의 미세 구조 엔지니어링
6063 알루미늄 합금은 현재 압출 열제거원의 절대적인 주역입니다. 그 구성 설계는 Mg와 Si의 형성을 중심으로 하여 Mg-2Si의 위상을 강화합니다. 고체 용액 열처리(520°C 절연) 후 급속 퀼팅 후 Mg와 Si 원자는 "동결"되어 알루미늄 격자에 초포화 고체 용액을 형성합니다. 이때 합금은 강도는 적지만 열전도율이 가장 낮습니다(약 180W/(m·K). 이후 인공 시간 효과(8시간 동안 175°C 절연)는 Mg-2Si가 나노스케일 침전 형태로 분산되고 침전하도록 유도합니다. 한편, 격자의 고체 원자는 침전(전자 운반 과정의 부분 복원) 중에 소비되며, 다른 한편으로는 침전 강도가 증가 노화 곡선에는 피크 노화 지점(최고 강도)과 과노화 지점이 있습니다. 열제거원 설계자는 종종 과노화 상태를 선택합니다. 강도는 약간 감소하지만 고체 원자가 더 많이 침전된 후 매트릭스의 순도는 개선되고 열전도율은 180에서 210에서 230W/(m·K)로 증가할 수 있으며 응력 부식 민감도도도 감소합니다.
마찬가지로 6061 알루미늄 합금(Cu, Mn 등 포함)은 더 강하지만 열전도율은 약 167W/(m·K)에 불과하여 기계적 요구 사항이 매우 높고 2차 열 소산 요구 사항이 있는 구조 부품에 적합합니다. 1070 순수 알루미늄(약 230W/(m·K))은 강화 능력이 거의 없으며 열전도 개스킷이나 복합 열 싱크의 순수 알루미늄 층에만 사용됩니다.
IV. 구리 합금에 대한 엔지니어링 절충
높은 열전도율 구리 합금은 주로 C11000 순수 구리(최고 열전도율)와 C18200 크롬-지르코늄 구리의 두 범주로 나뉩니다. 크롬-지르코늄 구리는 80% 이상의 순수 구리 열전도율을 유지하면서도 Cr과 Zr의 금속 간 화합물을 침전시켜 인장 강도를 350MPa 이상으로 높이고 연화 온도는 500°C(순수 구리 250°C보다 훨씬 높음)까지 높습니다. 이 특성은 전력 모듈의 DBC(직접 구리 피복재) 세라믹 기판과 같이 고온 납땜 또는 리플로우 공정을 견뎌야 하는 열 소산 기판을 위한 첫 번째 선택입니다.
V. 다단계 합성물의 침투 설계
"고열 전도성"과 "저밀도/저가격"의 모순을 해결하기 위해 학계와 업계는 금속 매트릭스 합성물을 탐구했습니다. 예를 들어 알루미늄 매트릭스에 다이아몬드 입자가 유입되면(자연 열전도율은 2000W/(m·K)에 이를 수 있음), 분말 야금 또는 압착 주조로 형성된 알-다이아몬드 합성물은 550W/(m·K)를 초과할 수 있으며 열팽창 계수는 칩(Si 또는 SiC)에 맞게 조정할 수 있어 열응력을 크게 줄일 수 있습니다. 그러나 다이아몬드 입자와 알루미늄 사이의 인터페이스 열 저항은 병목 현상입니다. Ti 및 Cr과 같은 탄화물 형성
그래핀/알루미늄 합성물은 훨씬 더 발전했습니다. 단층 그래핀의 평면 내 열전도율은 매우 높지만 합성물 내 그래핀의 평면 내 열전도율은 무질서한 방향으로 분포하며 평면 내 열전도율 이점은 발휘하기 어렵습니다. 합성물의 열전도율은 그래핀 함량이 퍼콜레이션 임계값(약 2-5 vol%)을 초과하여 연결된 네트워크를 형성할 때만 크게 점프합니다. 현재 실험실에서 가장 높은 수준에서 알루미늄 매트릭스에 5% 감소된 그래핀 산화물을 추가한 후 열전도율은 380W/(m·K)에 도달합니다. 그러나 이것은 여전히 분산 균일성, 계면 결합 및
열인터페이스 재료의 내열성 및 최적화
열제거원은 TIM을 통해 칩과 접촉해야 합니다. 최고의 TIM(소결 은, 액체 금속)조차도 접촉 열 저항을 완전히 제거할 수는 없습니다. 그 중 액체 금속(Ga-In 합금 등)의 열전도율은 30~40W/(m·K)에 이를 수 있지만 부식 및 표면 장력 문제가 심각합니다. 열전도성 실리콘 그리스의 충전 계수는 높지만 실리콘 오일이 증발하여 장기간 노화 후 건조한 균열이 형성되고 내열성이 여러 번 치솟습니다. 업계 트렌드는 상온 변화 TIM을 사용하는 것입니다. 상온에서 고체 상태, 상온에서 최대 45~50 °C 가열 후 액체 상태로 녹여 미세한 돌기로 채워지고 냉각 후 다시
VII. 결론
순수 알루미늄에서 그래핀/알루미늄 합성물에 이르기까지 열제거원 재료의 개발은 항상 하나의 핵심을 중심으로 진행되어 왔습니다. 즉, 엔지니어링 적합성을 유지하면서 열 전달 입자의 산란을 최소화하는 것입니다. 차세대 혁신은 구성 조정에만 의존하는 것이 아니라 폰온 운송 "메타 재료"의 구조 설계에서 비롯될 가능성이 높습니다. 이를 위해서는 열 전달, 고체 상태 물리학 및 분말 야금학의 깊은 교차가 필요합니다.
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