Đồng rắn là một đường cao tốc nhiệt, nhưng nó nở ra giống như một chiếc concertina khi được nung nóng. Trong một trục lăn nhiều lớp có độ chính xác cao, sự giãn nở này có thể xé nó ra khỏi các thành phần gốm hoặc silicon lân cận. Đồng-vonfram (CuW) là một hỗn hợp được thiết kế để chế ngự sự giãn nở nhiệt quá mức này bằng cách nhúng các hạt vonfram cứng, độ giãn nở thấp- vào đồng mềm, dẫn điện. Cái giá phải trả cho sự ổn định về kích thước này là khả năng truyền nhiệt nhanh chóng của vật liệu sẽ giảm đi một chút.
Nguyên tắc cơ bản về khuếch tán nhiệt
Độ khuếch tán nhiệt, tốc độ truyền nhiệt qua vật liệu, là thước đo quan trọng trong thiết kế trục lăn. Đồng nguyên chất có độ khuếch tán nhiệt rất cao, khoảng 115 mm2/s, khiến nó phân phối nhiệt cực nhanh. Trong hỗn hợp CuW, thường có 20% đến 40% vonfram theo thể tích, độ khuếch tán thấp hơn theo tỷ lệ-có lẽ là 70–90 mm²/s-vì vonfram dẫn nhiệt kém hiệu quả hơn đồng và làm tăng khối lượng của hỗn hợp.
Vonfram hoạt động như một mỏ neo nhiệt và cơ học, làm chậm quá trình giãn nở đột ngột của đồng và làm giảm nhẹ tốc độ truyền nhiệt của nó, đồng thời duy trì đủ độ dẫn để truyền nhiệt hiệu quả.
Hệ số giãn nở nhiệt và sự hài hòa về chiều
Ưu điểm chính của hỗn hợp CuW nằm ở hệ số giãn nở nhiệt có thể điều chỉnh (CTE). CuW CTE có thể được thiết kế trong khoảng từ ~6,5 đến ~9,0 ×10⁻⁶/ độ, so với ~17 ×10⁻⁶/ độ của đồng nguyên chất. Sự mở rộng phù hợp này cho phép tấm composite khớp chặt với CTE của các thành phần mỏng manh như tấm silicon hoặc chất nền gốm.
Quá trình sản xuất thường được thực hiện bằng cách cho đồng nóng chảy vào một bộ khung vonfram xốp, tạo ra một liên kết luyện kim kết hợp tính dẫn nhiệt của đồng với độ ổn định kích thước của vonfram. Do đó, hỗn hợp là vật liệu được lựa chọn cho các bộ tản nhiệt bán dẫn công suất cao-và một số tấm gia nhiệt chuyên dụng mà việc kết hợp CTE hoàn hảo là điều không thể-thương lượng được. Các kỹ sư đánh đổi một số dòng nước rút nhiệt của đồng để có được sự hài hòa về chiều tuyệt đối.
Độ khuếch tán nhiệt của CuW Composite và Copper Platen
Việc so sánh độ khuếch tán nhiệt của hỗn hợp CuW và tấm đồng cho thấy một sự thỏa hiệp luyện kim cổ điển:
Đồng rắn:Độ khuếch tán nhiệt cao (~115 mm²/s), CTE cao (~17 ×10⁻⁶/độ), lan truyền nhiệt nhanh, không phù hợp về kích thước với gốm sứ và silicon.
CuW hỗn hợp:Độ khuếch tán nhiệt vừa phải (~70–90 mm²/s), CTE thấp và có thể điều chỉnh được (~6,5–9,0 ×10⁻⁶/độ), tốc độ lan truyền nhiệt chậm hơn một chút, kích thước phù hợp tuyệt vời với các vật liệu nhạy cảm.
Hàm lượng vonfram đóng vai trò vừa là chất ổn định nhiệt và cơ học, đảm bảo tấm ép vẫn phẳng và có thể dự đoán được trong chu trình nhiệt độ-cao, đồng thời vẫn cung cấp đủ hiệu suất nhiệt cho các ứng dụng đòi hỏi khắt khe.
Phần kết luận
Tấm composite CuW là một kiệt tác của sự thỏa hiệp luyện kim. Nó hy sinh một phần khả năng khuếch tán nhiệt nhanh của đồng để đạt được độ ổn định kích thước vững chắc của vonfram, tạo ra nền tảng nhiệt hài hòa cho các chất nền nhạy cảm. Trong các ứng dụng gia nhiệt chính xác, hiệu suất tốt nhất không phải lúc nào cũng ở tốc độ tối đa-mà là phải phù hợp hoàn hảo với các yêu cầu về nhiệt và cơ học của chi tiết gia công.
