純銅はプラテン内の熱速度のベンチマークですが、レーザー ダイオード冷却システム、粒子検出器アセンブリ、軍用-グレードのマイクロ波電子機器-など、最も要求の厳しい高磁束環境{0}{1}では、銅であっても制限要因となる可能性があります。したがって、新しいカテゴリーの人工熱材料、すなわち銀-ダイヤモンド複合材料が登場しました。合成ダイヤモンド粒子の密に詰まったマトリックスに溶融銀を浸透させることにより、伝導率と熱拡散率の両方において銅を大幅に上回る超高速熱拡散構造を作成できます。-
の比較シルバー ダイヤモンド コンポジットと銅プラテンの拡散率並外れた製造の複雑さとコストが伴うものの、熱拡散能力が飛躍的に向上していることが明らかになりました。
プラテン内の熱拡散率を理解する
熱拡散率は、熱が材料中をどれだけ速く移動できるかを表します。プラテンでは、損傷を与えるホットスポットが形成される前に、集中的な局所的な熱負荷をより広い表面積に急速に分散させる必要がある場合、高い拡散率が不可欠です。
熱拡散率は、次の 3 つの主要な材料特性に依存します。
熱伝導率
密度
比熱容量
高い熱拡散率を持つ材料は温度勾配にほぼ瞬時に反応するため、精密な熱管理システムに最適です。
純銅は、その熱伝導率が既に非常に高く、通常約 390 ～ 400 W/m·K であるため、この目的に最適な実用的な工学材料の 1 つと長い間考えられてきました。ただし、シルバー-ダイヤモンド複合材料は、パフォーマンスをさらに向上させます。
シルバー-ダイヤモンド複合材料が非常に効果的な理由
これらの複合材料の並外れたパフォーマンスは、2 つの並外れた熱伝導体を単一の設計構造に組み合わせることによってもたらされます。
ダイヤモンドは既知のバルク材料の中で最も高い熱伝導率を有しており、理想的な条件下では多くの場合 2000 W/m・K を超えます。一方、銀は入手可能な金属の中で最も熱伝導性が高いです。
これらの材料を正しく組み合わせると、500 W/m・K を超える複合熱伝導率を達成でき、一部の高度な配合では特殊な製造条件下でさらに高い値に達します。
ダイヤモンド粒子は小さく輝く熱のスーパーハイウェイであり、すべてが銀の急速なレーンによって接続され、プラテン構造全体に熱輸送のための連続ネットワークを形成します。
その結果、熱拡散率が極めて高くなる。プラテン表面の小さな点で導入された熱は、ほぼ即座にはるかに広い領域全体に再分配されます。
シルバー-ダイヤモンドコンポジットと銅プラテンの性能の比較
純銅の性能
銅は、次のような利点を備えているため、産業用プラテンの熱拡散材料として依然として主要です。
優れた熱伝導性
比較的低コスト
良好な機械加工性
高可用性
予測可能な機械的動作
多くの産業用加熱および冷却システムでは、銅はすでに動作要件を超えています。
ただし、銅は次のようなものにさらされると物理的限界に近づき始めます。
非常に高い熱流束密度
急速な過渡熱負荷
小型半導体パッケージング
高周波熱サイクル-
このような条件下では、銅が熱を拡散するよりも早く、局所的な温度勾配が発生する可能性があります。
シルバー-ダイヤモンドの複合パフォーマンス
の分析シルバー ダイヤモンド コンポジットと銅プラテンの拡散率微細なホットスポットさえも許容できないアプリケーションでは特に重要になります。
シルバー-ダイヤモンド複合材料には、いくつかの重要な利点があります。
非常に高い熱伝導率
500 W/m・K を超えるバルク熱伝導率により、銅よりも大幅に速い熱拡散が実現します。
優れた熱拡散性
熱は複合材料中を非常に速い速度で移動するため、局所的な過熱が発生する前に熱スパイクを平坦化することができます。
調整可能な熱膨張
エンジニアリング上の最も重要な利点の 1 つは、熱膨張係数 (CTE) です。複合材料内のダイヤモンドの充填率を変えることにより、シリコンやガリウムヒ素などの半導体材料に適合するように CTE を調整できます。
この特性は、加熱および冷却サイクル中に熱膨張の不一致により破壊的な応力が生じる可能性がある高度なエレクトロニクスでは重要です。
半導体デバイスの熱ストレスの軽減
CTE の一致が優れていると、以下の削減に役立ちます。
ダイクラッキング
はんだ疲労
層間剥離
界面応力の蓄積
銅だけではこの程度の拡張調整を行うことはできません。
製造上の課題
優れた熱性能には、同様に顕著な製造上の困難が伴います。
緻密で均一なシルバー ダイヤモンド複合材料を製造するには、次のことが必要です。{0}
正確にグレード分けされた合成ダイヤモンド粒子
溶融銀の制御された浸透
高度な真空処理
慎重な界面結合管理
このプロセスは時間がかかり、技術的に要求が高く、高価です。
また、ダイヤモンドが含まれているため、素材自体が非常に硬くなっています。従来の機械加工技術は困難になり、工具の摩耗が急速に進み、生産時間の延長が生じます。
精密なプラテン形状を製造するには、特殊な研削、放電加工、またはダイヤモンド工具が必要になる場合があります。
コストとパフォーマンスの比較
銅に比べてパフォーマンスが向上していることは否定できませんが、コストも増加します。
シルバー-ダイヤモンド複合材料は、コストがかからないオブジェクト材料とみなされており、通常、故障が許容できない用途や、従来の熱拡散材料がすでに限界に達している用途に使用されます。
典型的なアプリケーションには次のようなものがあります。
先進的な軍用レーダーシステム
指向性エネルギー兵器-
高出力レーザー ダイオード アレイ
衛星電子機器
高エネルギー物理検出器-
特殊な航空宇宙用熱管理システム
このような環境では、パフォーマンス上の利点により、莫大な費用が正当化されます。
しかし、主流の産業用暖房システムでは、依然として銅の方がはるかに経済的です。
極端な用途における熱拡散能力
シルバー-ダイヤモンド技術の真の利点は、熱エネルギーをほぼ瞬時に再分配する必要がある場合に現れます。
従来の銅プラテンでは、熱は依然として非常に急速に広がりますが、平衡が生じる前に微視的な高温領域が一時的に存在する可能性があります。
シルバー-ダイヤモンド複合プラテンでは、熱拡散プロセスが劇的に速くなります。強力な点源の熱負荷を、卓越した効率でプラテン表面全体で希釈できます。
この機能は、以下の場合に特に価値があります。
高密度半導体パッケージング-
パルスパワーエレクトロニクス
超高速レーザーシステム
極低温検出器アセンブリ
高伝導率とカスタマイズされた熱膨張の組み合わせにより、次世代の熱管理問題に独自に適した材料システムが作成されます。{0}
結論
の比較シルバー ダイヤモンド コンポジットと銅プラテンの拡散率最新の熱拡散技術の上限を示しています。銅は、これまで広く導入されてきた中で最も優れた工学導体の 1 つですが、銀-ダイヤモンド複合材料は、ダイヤモンドの並外れた結晶熱伝導率と銀の比類のない金属熱輸送能力の統合により、銅を上回ります。
その結果、激しい熱負荷を驚くべき速度で分散できる優れた熱管理材料が誕生し、同時に、繊細な半導体集積化向けに調整可能な熱膨張特性も提供します。
その代償として、驚異的な製造コストと、厳しい加工の難しさと入手可能性の制限が伴います。その結果、銀-ダイヤモンド複合材料は、純銅の性能上限ではもはや十分ではない最先端の科学、航空宇宙、軍事用途に限定されたままです。
可能な限り最速の熱拡散は、最終的には最高級の金属導体と最高級の結晶性導体の組み合わせによって達成され、世界で最も要求の厳しい熱システムに妥協のない熱スーパーハイウェイを生み出します。{0}
