Science avancée des matériaux pour les dissipateurs thermiques métalliques : du mécanisme électronique de conduction thermique à la régulation de la microstructure multiphasée
Introduction : Images physiques multi-échelles de la conduction thermique des métaux
La fonction essentielle des dissipateurs thermiques métalliques est d'assurer un transport efficace de la chaleur. Mais la réponse à la question "pourquoi le cuivre conduit la chaleur deux ordres de grandeur plus rapidement que l'acier inoxydable" est enracinée dans le mécanisme de transport des particules caloportrices de la physique de la matière condensée. Dans les cristaux métalliques, la conduction de la chaleur est assurée par le gaz d'électrons libres et les phonons vibrants du réseau ; la contribution des électrons libres domine (la loi de Wiedemann-Franz vérifie la relation proportionnelle entre la conductivité thermique des électrons et la conductivité électrique). Cela signifie que tous les défauts microscopiques qui affectent la mobilité des électrons - défauts ponctuels, dislocations, joints de grains, particules de seconde phase - dispersent les électrons et les phonons simultanément, réduisant la conductivité thermique.
La conception de dissipateurs thermiques haute performance vise essentiellement à minimiser la section transversale de diffusion de la microstructure sur les supports de conduction thermique en partant du principe de répondre aux exigences techniques de résistance, d'usinabilité et de résistance à la corrosion. Cela oblige les scientifiques des matériaux à approfondir l'échelle atomique pour concevoir des compositions d'alliages et des régimes de traitement thermique.
Limites et contradictions des systèmes de métaux purs
La conductivité thermique du cuivre pur industriel (Cu≥99,9 %) est d'environ 398 W / (m · K) à température ambiante, et l'aluminium pur (Al≥99,5 %) est d'environ 237 W / (m · K). Cependant, les propriétés mécaniques des métaux purs sont extrêmement médiocres : la limite d'élasticité du cuivre pur n'est que d'environ 70 MPa et celle de l'aluminium pur est inférieure à 50 MPa. Dans les dissipateurs thermiques qui doivent résister aux contraintes d'assemblage mécanique, aux chocs vibratoires ou à la connexion par filetage, les métaux purs peuvent facilement se déformer et glisser. Par conséquent, les dissipateurs thermiques pratiques utilisent des solutions d'alliage sans exception.
Le coût de l'alliage est l'introduction d'atomes en solution solide. Lorsque 0,5 % d'étain est dissous dans du cuivre (pour former du bronze), la conductivité thermique chute à environ 150 W / (m · K) ; lorsque 5 % de silicium est dissous dans de l'aluminium (alliage d'aluminium coulé), la conductivité thermique tombe à environ 150-180 W / (m · K). Cette atténuation est due à la distorsion locale du réseau causée par l'inadéquation de taille entre les atomes solutés et les atomes de la matrice, ce qui produit une forte diffusion des ondes électroniques qui se propagent. Quantitativement, selon la règle de Mattison, la résistivité totale de l'alliage peut être décomposée en la somme de la résistivité de la matrice et de la résistivité résiduelle causée par la diffusion des impuretés, et la conductivité thermique augmente approximativement avec la linéité.
III. Ingénierie microstructurale des nuances d'alliage d'aluminium
L'alliage d'aluminium 6063 est actuellement la force principale absolue des dissipateurs thermiques d'extrusion. Sa conception de composition tourne autour de la formation de Mg et de Si pour renforcer la phase de Mg -2 Si. Après une trempe rapide après un traitement thermique en solution solide (isolation à 520 ° C), les atomes de Mg et de Si sont "gelés" pour former une solution solide sursaturée dans le treillis d'aluminium. Pour le moment, l'alliage a une résistance modérée mais la conductivité thermique la plus faible (environ 180 W / (m · K)). L'effet de temps artificiel subséquent (isolation à 175 ° C pendant 8 heures) incite le Mg -2 Si à se disperser et à précipiter sous forme de précipités à l'échelle nanométrique. D'une part, les atomes solutés dans le treillis sont consommés pendant le processus de précipitation (restauration partielle du transport des électrons), et l'obstacle lui-même. Sur la courbe de vieillissement, il y a un point de vieillissement maximal (l'intensité la plus élevée) et un point de survieillissement. Les concepteurs de dissipateurs thermiques choisissent souvent l'état de survieillissement : bien que la résistance soit légèrement réduite, la pureté de la matrice est améliorée après la précipitation de plus d'atomes de soluté, la conductivité thermique peut être augmentée de 180 à 210 à 230 W / (m · K), et la sensibilité à la corrosion sous contrainte est également réduite.
De même, l'alliage d'aluminium 6061 (contenant du Cu, du Mn, etc.) est plus solide, mais la conductivité thermique n'est que d'environ 167 W / (m · K), ce qui convient aux pièces structurelles avec des exigences mécaniques extrêmement élevées et des exigences de dissipation thermique secondaire. L'aluminium pur 1070 (conductivité thermique d'environ 230 W / (m · K)) a peu de capacité de renforcement et n'est utilisé que pour les couches d'aluminium pur dans les joints thermoconducteurs ou les dissipateurs thermiques composites.
IV. Des compromis techniques pour les alliages de cuivre
Les alliages de cuivre à haute conductivité thermique sont principalement divisés en deux catégories : le cuivre pur C11000 (conductivité thermique la plus élevée) et le cuivre chrome-zirconium C18200. Tout en conservant plus de 80 % de conductivité thermique du cuivre pur, le cuivre chrome-zirconium augmente la résistance à la traction à plus de 350 MPa en précipitant les composés intermétalliques de Cr et Zr, et la température de ramollissement est aussi élevée que 500 ° C (bien supérieure aux 250 ° C du cuivre pur). Cette propriété en fait le premier choix pour les substrats de dissipation thermique qui doivent résister aux processus de soudage ou de refusion à haute température, tels que la couche de cuivre sur la couche inférieure des substrats céramiques DBC (revêtement direct en cuivre) dans les modules de puissance.
V. Conception de perméation des composites multiphasés
Afin de résoudre la contradiction entre "conductivité thermique élevée" et "faible densité / faible prix", les universités et l'industrie ont exploré les composites à matrice métallique. Par exemple, l'introduction de particules de diamant dans la matrice d'aluminium (la conductivité thermique naturelle peut atteindre 2000 W / (m · K)), les composites Al-diamant formés par métallurgie des poudres ou moulage sous pression peuvent dépasser 550 W / (m · K), et le coefficient de dilatation thermique peut être ajusté pour correspondre à la puce (Si ou SiC), ce qui réduit considérablement la contrainte thermique. Cependant, la résistance thermique de l'interface entre les particules de diamant et l'aluminium est un goulot d'étranglement - les éléments formant du carbure tels que Ti et Cr doivent être revêtus en surface pour améliorer la correspondance des phonons.
Les composites graphène / aluminium sont encore plus avancés. Bien que la conductivité thermique dans le plan du graphène monocouche soit extrêmement élevée, la conductivité thermique dans le plan du graphène dans le composite est répartie dans une orientation désordonnée, et l'avantage de conductivité thermique dans le plan est difficile à exercer. La conductivité thermique du composite ne saute de manière significative que lorsque la teneur en graphène dépasse le seuil de percolation (environ 2-5 % en volume) et forme un réseau connecté. Après avoir ajouté 5 % d'oxyde de graphène réduit à la matrice d'aluminium au plus haut niveau du laboratoire actuel, la conductivité thermique atteint 380 W / (m · K). Cependant, il s'agit toujours d'un triple défi d'uniformité de la dispersion, de liaison interfaciale et de coût.
Résistance thermique intrinsèque et optimisation des matériaux d'interface thermique
Le dissipateur thermique doit être en contact avec la puce via le TIM. Même le meilleur TIM (argent fritté, métal liquide) ne peut pas éliminer complètement la résistance thermique de contact. Parmi eux, la conductivité thermique des métaux liquides (tels que l'alliage Ga-In) peut atteindre 30 ~ 40 W / (m · K), mais les problèmes de corrosion et de tension superficielle sont graves ; bien que le coefficient de remplissage de la graisse silicone conductrice thermique soit élevé, l'huile de silicone s'évapore pour former des fissures sèches après un vieillissement à long terme, et la résistance thermique monte en flèche à plusieurs reprises. La tendance de l'industrie est d'utiliser le changement de phase TIM : à l'état solide à température ambiante, la puce est fondue à l'état liquide après avoir chauffée jusqu'à 45 ~ 50 ° C, remplie de bosses microscopiques et solidifiée à nouveau après une installation thermique.
VII. Conclusion
De l'aluminium pur aux composites graphène / aluminium, le développement des dissipateurs thermiques a toujours tourné autour d'un noyau : minimiser la diffusion des particules caloportrices tout en maintenant l'aptitude technique. La prochaine génération de percées proviendra probablement de la conception structurelle des "métamatériaux" de transport de phonons - plutôt que de compter uniquement sur l'ajustement de la composition. Cela nécessite une intersection profonde du transfert de chaleur, de la physique du solide et de la métallurgie des poudres.
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