¿Qué es la conductividad térmica?

La conductividad térmica es la propiedad que indica con qué facilidad el calor se mueve a través de un material cuando hay una diferencia de temperatura a través de él. El símbolo es k, o a veces λ, y la unidad estándar es W/(m·K). Si un material tiene un valor k alto, el calor fluye a través de él rápidamente. Si k es bajo, el calor se mueve lentamente.

He dedicado quince años al aislamiento de edificios y al diseño-de disipadores de calor, y cada vez que alguien habla de "conductividad térmica" sin contexto, tengo que morderse la lengua. Los números de las hojas de datos se miden en perfectas condiciones de laboratorio. Las piezas reales en sistemas reales casi nunca ven esas condiciones exactas.

Valor de laboratorio vs pieza real

La conductividad térmica de laboratorio se mide en una muestra plana, limpia,-sin defectos, con una presión de contacto perfecta y sin espacios de aire. En el campo, hay rugosidad en la superficie, capas de óxido, variación de la presión de contacto y, a menudo, una fina película de aire que mata la conductividad efectiva. Un bloque de cobre podría mostrar 400 W/(m·K) en el libro de texto, pero une dos disipadores de calor de cobre con una presión de 2 MPa y tendrá suerte de ver 50 000 W/(m²·K) en la interfaz.

Rieles

El cobre puro a temperatura ambiente ronda los 401 W/(m·K). El C10100 sin oxígeno-es unos puntos más alto, el C11000 comercial unos puntos más bajo. El aluminio 6061 tiene una potencia de 167 a 180 W/(m·K), dependiendo del temperamento. . 6063 suele ser de 200 a 210 porque está extruido y la estructura del grano se alinea mejor. La plata pura supera a todo en ~430, pero nadie la usa fuera de algunas cavidades de RF.

No-metales que sorprenden a la gente

El diamante (CVD o monocristal-) funciona entre 1000 y 2200 W/(m·K). Lo usamos para submontajes de diodos láser-y puertas GaN HEMT cuando el dinero no es un problema. El grafito en el plano- (láminas pirolíticas o de grafeno) puede alcanzar entre 1500 y 2000 a lo largo del plano y caer a 6 perpendiculares. Esa anisotropía es la razón por la que hay que tener cuidado al orientar los disipadores de calor de grafito en los teléfonos.

Cerámicas y masillas

El nitruro de aluminio (AlN) tiene entre 170 y 220 W/(m·K) en los grados de producción. El óxido de berilio tenía entre 250 y 300, pero fue prohibido en la mayoría de los lugares. Las plaquetas de nitruro de boro (h-BN) dan entre 300 y 600 en el plano- cuando se alinean en un polímero, tal vez 30 en el plano-. La alúmina simple (Al2O3) tiene solo un contenido de 30-35, pero el 90 % de las placas LED todavía la utilizan porque es barata y dieléctrica.

Polímeros y grasas

El epoxi o poliuretano sin relleno es de 0,2 a 0,3 W/(m·K). Cárguelo con un 70% en volumen de alúmina o nitruro de boro y podrá aumentar de 2 a 4 W/(m·K). Las almohadillas térmicas que se compran en Digi-Key suelen tener un volumen de entre 1 y 8 W/(m·K), pero el verdadero cuello de botella es la resistencia de contacto en cada cara. Los materiales de cambio de fase-comienzan en 3 a 5, las interfaces de metal líquido (galio) pueden llevarte a más de 30 si puedes vivir con el desorden.

Valores típicos que utilizo cuando dimensiono los disipadores de calor

En pocas palabras: el número k masivo es solo la mitad de la historia. La resistencia de contacto, el acabado de la superficie, la presión de montaje y la dependencia de la temperatura generalmente deciden si su CPU se acelera o su IGBT funciona.

Siempre reduzco los números de laboratorio en al menos un 30 % en los diseños de primera-pasada y luego mido la temperatura real de la unión en el banco. Cualquier otra cosa es solicitar devoluciones de campo.