Научный прогресс в области материалов для теплоотводов из металла: от механизмов электронной теплопроводности до регулирования многофазных микроструктур

I. Введение: многоуровневая физическая картина теплопроводности металлов

Основная функция металлических радиаторов — обеспечение эффективного переноса тепла. Однако ответ на вопрос, почему медь проводит тепло на два порядка быстрее нержавеющей стали, коренится в механизмах переноса теплоносителей в физике конденсированного состояния. В металлических кристаллах теплопроводность обеспечивается совместно газом свободных электронов и фононами кристаллической решётки; при этом вклад свободных электронов доминирует (закон Видемана — Франца подтверждает пропорциональную связь между электронной теплопроводностью и электропроводностью). Это означает, что любые микроскопические дефекты, влияющие на подвижность электронов — точечные дефекты, дислокации, границы зёрен, частицы второй фазы — одновременно рассеивают электроны и фононы, снижая теплопроводность.

Проектирование высокоэффективного радиатора по сути заключается в минимизации сечения рассеяния микроструктурой носителей тепла при условии соблюдения инженерных требований по прочности, технологичности и коррозионной стойкости. Это требует от материаловедов проектирования состава сплава и режима термообработки на атомном уровне.

II. Пределы и противоречия систем чистых металлов

Технически чистая медь (Cu≥99,9%) при комнатной температуре имеет теплопроводность около 398 Вт/(м·К), чистый алюминий (Al≥99,5%) — около 237 Вт/(м·К). Однако механические свойства чистых металлов крайне низки: предел текучести чистой меди составляет всего около 70 МПа, чистого алюминия — менее 50 МПа. В радиаторах, которые должны выдерживать механические напряжения при сборке, вибрационные удары или требуют резьбовых соединений, чистые металлы легко деформируются и срывают резьбу. Поэтому практически все радиаторы без исключения используют легирование.

Платой за легирование является введение атомов твёрдого раствора. При растворении 0,5% олова в меди (образование бронзы) теплопроводность резко падает до примерно 150 Вт/(м·К); при растворении 5% кремния в алюминии (литейный алюминиевый сплав) теплопроводность снижается до примерно 150~180 Вт/(м·К). Это ослабление обусловлено локальными искажениями кристаллической решётки, вызванными размерным несоответствием атомов растворённого вещества и атомов матрицы; эти искажённые области сильно рассеивают распространяющиеся электронные волны. Количественно, согласно правилу Маттиссена, общее удельное сопротивление сплава можно разложить на сумму удельного сопротивления матрицы и остаточного сопротивления, вызванного рассеянием на примесях; теплопроводность приблизительно линейно снижается с ростом концентрации примесей.

III. Инженерия микроструктуры марок алюминиевых сплавов

Алюминиевый сплав 6063 в настоящее время является абсолютной рабочей лошадкой для экструдированных радиаторов. Его композиционный дизайн строится вокруг образования упрочняющей фазы Mg₂Si из Mg и Si. После термообработки на твёрдый раствор (выдержка при 520°C) и быстрой закалки атомы Mg и Si «замораживаются» в алюминиевой решётке, образуя пересыщенный твёрдый раствор; при этом прочность сплава средняя, но теплопроводность минимальна (около 180 Вт/(м·К)). Последующее искусственное старение (выдержка при 175°C в течение 8 часов) способствует дисперсионному выделению Mg₂Si в виде наноразмерных выделений. Процесс выделения, с одной стороны, расходует атомы растворённого вещества в решётке (частично восстанавливая электронный перенос), а с другой — сами выделения становятся препятствиями для движения дислокаций (повышая прочность). На кривой старения существует точка пикового старения (максимальная прочность) и точка перестаривания. Проектировщики радиаторов часто выбирают состояние перестаривания: хотя прочность слегка снижается, после выделения большего количества атомов растворённого вещества чистота матрицы повышается, и теплопроводность может возрасти с 180 до 210~230 Вт/(м·К), одновременно снижается чувствительность к коррозионному растрескиванию под напряжением.

Аналогично, алюминиевый сплав 6061 (содержащий Cu, Mn и др.) обладает более высокой прочностью, но теплопроводность составляет лишь около 167 Вт/(м·К); он подходит для конструкционных деталей с чрезвычайно высокими механическими требованиями и второстепенными потребностями в теплоотводе. Чистый алюминий 1070 (теплопроводность около 230 Вт/(м·К)) практически не способен к упрочнению и используется только для термопрокладок или чистых алюминиевых слоёв в композитных радиаторах.

IV. Инженерные компромиссы медных сплавов

Высокотеплопроводные медные сплавы в основном делятся на два типа: чистая медь C11000 (наивысшая теплопроводность) и хромоциркониевая медь C18200. Хромоциркониевая медь, сохраняя более 80% теплопроводности чистой меди, за счёт выделения интерметаллических соединений Cr и Zr повышает предел прочности при растяжении до более 350 МПа, а температура размягчения достигает 500°C (намного выше 250°C для чистой меди). Это свойство делает её предпочтительным выбором для теплоотводящих подложек, которые должны выдерживать высокотемпературную пайку или процессы оплавления припоя, например, медного слоя в основании керамических подложек DBC (прямое соединение с медью) в силовых модулях.

V. Перколяционное проектирование многофазных композиционных материалов

Для разрешения противоречия между «высокой теплопроводностью» и «низкой плотностью/низкой ценой» академические круги и промышленность исследовали металломатричные композиционные материалы. Например, введение частиц алмаза (собственная теплопроводность до 2000 Вт/(м·К)) в алюминиевую матрицу; композиционный материал Al-diamond, полученный порошковой металлургией или литьём под давлением с кристаллизацией, может иметь теплопроводность выше 550 Вт/(м·К), а коэффициент теплового расширения можно регулировать для согласования с чипом (Si или SiC), значительно снижая термические напряжения. Однако межфазное тепловое сопротивление между частицами алмаза и алюминием является узким местом — требуется поверхностное нанесение покрытий из карбидообразующих элементов, таких как Ti, Cr, для улучшения согласования фононов.

Композиты графен/алюминий ещё более перспективны. Хотя теплопроводность в плоскости однослойного графена чрезвычайно высока, в композите графен распределён неупорядоченно, и преимущество теплопроводности в плоскости трудно реализовать. Только когда содержание графена превышает порог перколяции (около 2~5 об.%) и образует связную сеть, теплопроводность композита демонстрирует значительный скачок. В настоящее время максимальный лабораторный уровень позволяет достичь теплопроводности 380 Вт/(м·К) при добавлении 5% восстановленного оксида графена в алюминиевую матрицу. Однако до масштабного промышленного применения ещё предстоит преодолеть три вызова: равномерность диспергирования, межфазное соединение и стоимость.

VI. Собственное тепловое сопротивление и оптимизация термоинтерфейсных материалов

Радиатор должен контактировать с чипом через TIM. Даже лучший TIM (спечённое серебро, жидкий металл) не может полностью устранить контактное тепловое сопротивление. Теплопроводность жидких металлов (например, сплава Ga-In) может достигать 30~40 Вт/(м·К), но проблемы коррозионной агрессивности и поверхностного натяжения серьёзны; хотя коэффициент заполнения теплопроводящей силиконовой пасты высок, после длительного старения силиконовое масло испаряется, образуя сухие трещины, и тепловое сопротивление возрастает в несколько раз. Отраслевая тенденция — использование фазопереходных TIM: твёрдые при комнатной температуре, они плавятся в жидкость при нагреве чипа до 45~50°C, заполняя микронеровности, и снова затвердевают при охлаждении, сочетая удобство монтажа и низкое тепловое сопротивление (<0,1 см²·К/Вт).

VII. Заключение

От чистого алюминия до композита графен/алюминий развитие материалов для радиаторов всегда вращается вокруг одной ключевой идеи: минимизировать рассеяние носителей тепла при сохранении инженерной применимости. Следующий прорыв, вероятно, придёт от структурного проектирования «метаматериалов» для фононного переноса — а не от простой корректировки состава. Это потребует глубокого междисциплинарного взаимодействия теплофизики, физики твёрдого тела и порошковой металлургии.

Zuanxin — профессиональный производитель металлических радиаторов. Пришлите нам чертежи, и наша компания предоставит вам расценки в течение 12 часов.