O que é condutividade térmica?

A condutividade térmica é a propriedade que indica a facilidade com que o calor se move através de um material quando há uma diferença de temperatura entre ele. O símbolo é k, ou às vezes λ, e a unidade padrão é W/(m·K). Se um material tiver um valor k alto, o calor flui através dele rapidamente. Se k for baixo, o calor se move lentamente.

Passei quinze anos construindo isolamentos e projetos de-dissipadores de calor, e toda vez que alguém fala sobre "condutividade térmica" sem contexto, tenho que morder a língua. Os números das folhas de dados são medidos em perfeitas condições de laboratório. As peças reais em sistemas reais quase nunca veem essas condições exatas.

Valor de laboratório versus parte real

A condutividade térmica de laboratório é medida em uma amostra plana, limpa e sem{0}}defeitos, com pressão de contato perfeita e sem lacunas de ar. No campo você tem rugosidade superficial, camadas de óxido, variação de pressão de contato e muitas vezes uma fina película de ar que mata a condutividade efetiva. Um bloco de cobre pode mostrar 400 W/(m·K) no livro, mas aparafuse dois dissipadores de calor de cobre com pressão de 2 MPa e você terá sorte de ver 50 000 W/(m²·K) na interface.

Metais

O cobre puro à temperatura ambiente é de cerca de 401 W/(m·K). O C10100-sem oxigênio está alguns pontos acima, e o C11000 comercial alguns pontos abaixo. O alumínio 6061 fica em 167–180 W/(m·K) dependendo da têmpera. 6063 geralmente é 200–210 porque é extrudado e a estrutura do grão se alinha melhor. A prata pura supera tudo em ~430, mas ninguém a usa fora de algumas cavidades de RF.

Não-metais que surpreendem as pessoas

Diamante (CVD ou mono{0}}cristal) opera de 1.000 a 2.200 W/(m·K). Nós o usamos para submontagens de diodos-laser e portas GaN HEMT quando dinheiro não é problema. A grafite no-plano (folhas pirolíticas ou de grafeno) pode atingir 1.500–2.000 ao longo do plano, caindo para 6 perpendiculares. Essa anisotropia é a razão pela qual você deve ter cuidado ao orientar os dissipadores de calor de grafite nos telefones.

Cerâmica e enchimentos

O nitreto de alumínio (AlN) tem 170–220 W/(m·K) em graus de produção. O óxido de berílio estava entre 250 e 300, mas foi proibido na maioria dos lugares. As plaquetas de nitreto de boro (h-BN) fornecem 300–600 no-plano quando alinhadas em um polímero, talvez 30 através do-plano. A alumina simples (Al2O3) tem apenas 30–35, mas 90% das placas de LED ainda a utilizam porque é barata e dielétrica.

Polímeros e graxas

Epóxi ou poliuretano não preenchido tem 0,2–0,3 W/(m·K). Carregue-o com 70 vol% de alumina ou nitreto de boro e você poderá pressionar 2–4 W/(m·K). As almofadas térmicas que você compra na Digi{7}}Key geralmente têm volume de 1–8 W/(m·K), mas o verdadeiro gargalo é a resistência de contato em cada face. Os materiais-de mudança de fase começam em 3–5, as interfaces de metal líquido (gálio) podem levar você acima de 30 se você conseguir conviver com a bagunça.

Valores típicos que realmente uso quando dimensiono dissipadores de calor

Resumindo: o número k em massa é apenas metade da história. A resistência de contato, o acabamento da superfície, a pressão de montagem e a dependência da temperatura geralmente decidem se sua CPU acelera ou se seu IGBT sobrevive.

Eu sempre reduzo os números do laboratório em pelo menos 30% nos projetos de primeira{1}}passagem e depois meço a temperatura real da junção na bancada. Qualquer outra coisa está pedindo retornos de campo.