Die 7 Hauptwärmeleiter
Die Hauptwärmeleiter sind Metalle und Diamanten aus Metallmatrix, Kohlenstoffmatrix, Kohlenstoff, Graphit und Keramikmatrix-Verbundwerkstoffen.
Die Wärmeleitfähigkeit ist eine Materialeigenschaft, die die Fähigkeit zur Wärmeleitung beschreibt und definiert werden kann als: "Die Wärmemenge, die durch eine Einheitsdicke eines Materials - in einer normalen Richtung zu einer Oberfläche der Einheitsfläche - aufgrund von Wärme übertragen wird ein Einheitentemperaturgradient unter stationären Bedingungen »(The Engineering ToolBox, SF).
Mit anderen Worten, Wärmeleitung ist die Übertragung von Wärmeenergie zwischen sich berührenden Materieteilchen. Wärmeleitung tritt auf, wenn Partikel heißerer Materie mit Partikeln kälterer Materie kollidieren und einen Teil ihrer Wärmeenergie auf kältere Partikel übertragen.
In bestimmten Feststoffen und Flüssigkeiten ist das Fahren in der Regel schneller als in Gasen. Die Materialien, die gute Wärmeleiter sind, werden Wärmeleiter genannt.
Metalle sind besonders gute Wärmeleiter, weil sie Elektronen haben, die sich frei bewegen und Wärmeenergie schnell und einfach übertragen können (CK-12 Foundation, SF).
Im Allgemeinen sind gute elektrische Leiter (Metalle wie Kupfer, Aluminium, Gold und Silber) auch gute Wärmeleiter, während elektrische Isolatoren (Holz, Kunststoff und Gummi) schlechte Wärmeleiter sind.
Die kinetische Energie (Durchschnitt) eines Moleküls im warmen Körper ist höher als im kältesten Körper. Wenn zwei Moleküle kollidieren, findet ein Energietransfer vom heißen zum kalten Molekül statt.
Die kumulative Wirkung aller Kollisionen führt zu einem Nettowärmestrom vom warmen zum kältesten Körper (SantoPietro, SF).
Materialien mit hoher Wärmeleitfähigkeit
Materialien mit hoher Wärmeleitfähigkeit werden zur Wärmeleitung benötigt, um zu heizen oder zu kühlen. Eine der kritischsten Anforderungen ist die Elektronikindustrie.
Aufgrund der Miniaturisierung und Leistungssteigerung der Mikroelektronik ist die Wärmeabgabe der Schlüssel zur Zuverlässigkeit, Leistung und Miniaturisierung der Mikroelektronik.
Die Wärmeleitfähigkeit hängt von vielen Eigenschaften eines Materials ab, insbesondere von seiner Struktur und Temperatur.
Der Wärmeausdehnungskoeffizient ist besonders wichtig, da er die Fähigkeit eines Materials anzeigt, sich mit Wärme auszudehnen.
Metalle und Diamanten
Kupfer ist das am häufigsten verwendete Metall, wenn Materialien mit hoher Wärmeleitfähigkeit erforderlich sind.
Kupfer nimmt jedoch einen hohen Wärmeausdehnungskoeffizienten (WAK) an. Die Invar-Legierung (64% Fe ± 36% Ni) weist eine außergewöhnlich niedrige CET zwischen Metallen auf, weist jedoch eine sehr schlechte Wärmeleitfähigkeit auf.
Der Diamant ist attraktiver, da er eine sehr hohe Wärmeleitfähigkeit und eine niedrige CET aufweist, aber teuer ist (Thermal Conductivity, SF).
Aluminium ist nicht so leitfähig wie Kupfer, weist jedoch eine geringe Dichte auf, was für Flugzeugelektronik und Anwendungen (z. B. Laptops) attraktiv ist, die ein geringes Gewicht erfordern.
Metalle sind thermische und elektrische Leiter. Für Anwendungen, die Wärmeleitfähigkeit und elektrische Isolierung erfordern, können geeignete Diamanten und Keramikmaterialien verwendet werden, jedoch können auch Nichtmetalle verwendet werden.
Metallmatrix-Verbindungen
Eine Möglichkeit, den CTE eines Metalls zu verringern, besteht darin, einen Metallmatrix-Verbundstoff unter Verwendung eines Füllstoffs mit niedrigem CTE zu bilden.
Zu diesem Zweck werden Keramikpartikel wie AlN und Siliciumcarbid (SiC) aufgrund ihrer Kombination aus hoher Wärmeleitfähigkeit und niedrigem CTE verwendet.
Da die Füllung üblicherweise einen geringeren WAK und eine geringere Wärmeleitfähigkeit als die metallische Matrix aufweist, ist der WAK und die Wärmeleitfähigkeit umso geringer, je höher der Volumenanteil der Ladung im Verbund ist.
Kohlenstoffmatrix-Verbindungen
Kohlenstoff ist aufgrund seiner Wärmeleitfähigkeit (wenn auch nicht so hoch wie die von Metallen) und seines geringen WAK (niedriger als der von Metallen) eine attraktive Matrix für Wärmeleitmassen.
Darüber hinaus ist Kohlenstoff korrosionsbeständig (korrosionsbeständiger als Metalle) und hat ein geringes Gewicht.
Ein weiterer Vorteil der Kohlenstoffmatrix ist ihre Verträglichkeit mit Kohlenstofffasern im Gegensatz zu der üblichen Reaktivität zwischen einer Metallmatrix und ihren Ladungen.
Daher sind Kohlenstofffasern der dominierende Füllstoff für Kohlenstoffmatrix-Verbundwerkstoffe.
Kohlenstoff und Graphit
Ein Vollkohlenstoffmaterial, das durch Konsolidierung von Kohlenstoffvorläuferkohlenstoffen ohne Bindemittel und anschließende Carbonisierung und optionale Graphitisierung hergestellt wird, hat eine Wärmeleitfähigkeit im Bereich von 390 bis 750 W / mK in der Faser des Materials.
Ein anderes Material ist pyrolytischer Graphit (TPG genannt), der von einer Strukturhülle umgeben ist. Graphit (sehr texturiert mit den c-Achsen der Körner vorzugsweise senkrecht zur Ebene des Graphits) hat eine Wärmeleitfähigkeit in der 1700 W / m K-Ebene (viermal so hoch wie die von Kupfer), ist jedoch aufgrund der Tendenz zu mechanisch schwach In der Graphitebene schneiden.
Keramische Matrixverbindungen
Die Borsilikatglasmatrix ist attraktiv aufgrund ihrer niedrigen Dielektrizitätskonstante (4.1) im Vergleich zu der von AlN (8.9), Aluminiumoxid (9.4), SiC (42), BeO (6.8) und kubischem Bornitrid (7.1), Diamant (5.6) und Glas-Keramik (5.0).
Ein niedriger Wert der Dielektrizitätskonstante ist für elektronische Verpackungsanwendungen wünschenswert. Andererseits hat Glas eine geringe Wärmeleitfähigkeit.
Die SiC-Matrix ist attraktiv wegen ihres hohen CTE im Vergleich zur Kohlenstoffmatrix, obwohl sie nicht so wärmeleitend ist wie Kohlenstoff.
Der CTE der Kohlenstoff + Kohlenstoff-Verbindungen ist zu niedrig, was zu einer verringerten Lebensdauer bei Chip-on-Board (COB) -Anwendungen mit Silica-Chips führt.
Das SiC-Matrix-Kohlenstoff-Komposit besteht aus einer Kohlenstoff-Kohlenstoff-Verbindung, die die Kohlenstoffmatrix in SiC umwandelt (Chung, 2001).
