Qu’est-ce que la conductivité thermique ?

La conductivité thermique est la propriété qui vous indique la facilité avec laquelle la chaleur se déplace à travers un matériau lorsqu'il y a une différence de température à travers celui-ci. Le symbole est k, ou parfois λ, et l'unité standard est W/(m·K). Si un matériau a une valeur k élevée, la chaleur le traverse rapidement. Si k est faible, la chaleur se déplace lentement.

J'ai passé quinze ans dans l'isolation des bâtiments et la conception de-dissipateurs thermiques, et chaque fois que quelqu'un parle de "conductivité thermique" sans contexte, je dois me mordre la langue. Les numéros des fiches techniques sont mesurés dans des conditions de laboratoire parfaites. Les pièces réelles des systèmes réels ne voient presque jamais ces conditions exactes.

Valeur de laboratoire vs pièce réelle

La conductivité thermique en laboratoire est mesurée sur un échantillon plat, propre et sans défaut-avec une pression de contact parfaite et sans espace d'air. Sur le terrain, vous avez une rugosité de surface, des couches d'oxyde, une variation de pression de contact et souvent un mince film d'air qui tue une conductivité efficace. Un bloc de cuivre peut afficher 400 W/(m·K) dans le manuel, mais boulonnez deux dissipateurs thermiques en cuivre avec une pression de 2 MPa et vous avez la chance de voir 50 000 W/(m²·K) à l'interface.

Métaux

Le cuivre pur à température ambiante est d'environ 401 W/(m·K). Le C10100 sans oxygène-sans oxygène est quelques points plus élevé, le C11000 commercial quelques points plus bas. L'aluminium 6061 se situe à 167-180 W/(m·K) selon la température . 6063 est généralement de 200 à 210 car il est extrudé et la structure du grain s'aligne mieux. L'argent pur bat tout à ~430, mais personne ne l'utilise en dehors de quelques cavités RF.

Des non-métaux qui surprennent les gens

Le diamant (CVD ou monocristal-) fonctionne entre 1 000 et 2 200 W/(m·K). Nous l'utilisons pour les sous-montages de diodes laser-et les portes GaN HEMT lorsque l'argent n'est pas un problème. Le graphite dans le plan - (feuilles pyrolytiques ou graphène) peut atteindre 1 500 à 2 000 le long du plan, tombant à 6 perpendiculairement. Cette anisotropie est la raison pour laquelle vous devez faire attention à la façon dont vous orientez les dissipateurs de chaleur en graphite dans les téléphones.

Céramiques et charges

Le nitrure d'aluminium (AlN) est de 170 à 220 W/(m·K) dans les qualités de production. L'oxyde de béryllium était de 250 à 300 mais a été interdit dans la plupart des endroits. Les plaquettes de nitrure de bore (h-BN) vous donnent 300 à 600 dans le plan-lorsqu'elles sont alignées dans un polymère, peut-être 30 dans le plan-. L'alumine ordinaire (Al2O3) ne représente que 30 à 35, mais 90 % des cartes LED l'utilisent encore car elle est bon marché et diélectrique.

Polymères et graisses

L'époxy ou le polyuréthane non chargé est de 0,2 à 0,3 W/(m·K). Chargez-le avec 70 % en volume d'alumine ou de nitrure de bore et vous pouvez pousser 2 à 4 W/(m·K). Les coussinets thermiques que vous achetez chez Digi-Key ont généralement un volume de 1 à 8 W/(m·K), mais le véritable goulot d'étranglement est la résistance de contact sur chaque face. Les matériaux à changement de phase- commencent à 3-5, les interfaces en métal liquide (gallium) peuvent vous amener au-dessus de 30 si vous pouvez vivre avec le désordre.

Valeurs typiques que j'utilise réellement lorsque je dimensionne les dissipateurs thermiques

En fin de compte : le nombre k global ne représente que la moitié de l’histoire. La résistance de contact, l'état de surface, la pression de montage et la dépendance à la température déterminent généralement si votre CPU limite la durée de vie de votre IGBT.

Je réduis toujours les chiffres du laboratoire d'au moins 30 % sur les conceptions du premier-passage, puis je mesure la température de jonction réelle sur le banc. Tout le reste demande des retours sur le terrain.