Was ist Wärmeleitfähigkeit?

Die Wärmeleitfähigkeit ist die Eigenschaft, die angibt, wie leicht Wärme durch ein Material transportiert werden kann, wenn darüber ein Temperaturunterschied besteht. Das Symbol ist k, manchmal auch λ, und die Standardeinheit ist W/(m·K). Wenn ein Material einen hohen k-Wert hat, fließt Wärme schnell durch es hindurch. Wenn k niedrig ist, bewegt sich die Wärme langsam.

Ich habe mich fünfzehn Jahre lang mit Gebäudeisolierung und dem Design von Kühlkörpern beschäftigt, und jedes Mal, wenn jemand ohne Kontext mit „Wärmeleitfähigkeit“ herumwirft, muss ich mir auf die Zunge beißen. Die Datenblattzahlen werden unter perfekten Laborbedingungen gemessen. Reale Teile in realen Systemen sehen diese genauen Bedingungen fast nie.

Laborwert vs. Realteil

Die Wärmeleitfähigkeit im Labor wird an einer flachen, sauberen, fehlerfreien Probe mit perfektem Kontaktdruck und ohne Luftspalten gemessen. Im Feld gibt es Oberflächenrauheit, Oxidschichten, Kontaktdruckschwankungen und oft einen dünnen Luftfilm, der die effektive Leitfähigkeit zunichte macht. Ein Kupferblock könnte im Lehrbuch 400 W/(m·K) anzeigen, aber wenn man zwei Kupferkühlkörper mit einem Druck von 2 MPa zusammenschraubt, hat man Glück und sieht 50 000 W/(m²·K) an der Schnittstelle.

Metalle

Reines Kupfer hat bei Raumtemperatur etwa 401 W/(m·K). Sauerstoff-freies C10100 ist ein paar Punkte höher, kommerzielles C11000 ein paar Punkte niedriger. Aluminium 6061 liegt je nach Temperatur bei 167–180 W/(m·K). 6063 beträgt normalerweise 200–210, da es extrudiert wird und die Kornstruktur besser ausgerichtet ist. Reines Silber übertrifft bei ~430 alles, aber niemand verwendet es außerhalb einiger HF-Hohlräume.

Nicht-Metalle, die Menschen überraschen

Diamant (CVD oder Einkristall) hat eine Leistung von 1000–2200 W/(m·K). Wir verwenden es für Laserdioden-Submounts und GaN-HEMT-Gates, wenn Geld keine Rolle spielt. Graphit in der -Ebene (Pyrolyse- oder Graphenschichten) kann 1500–2000 entlang der Ebene treffen und fällt senkrecht auf 6 ab. Aufgrund dieser Anisotropie müssen Sie bei der Ausrichtung der Graphit-Wärmeverteiler in Telefonen vorsichtig sein.

Keramik und Füllstoffe

Aluminiumnitrid (AlN) hat in Produktionsqualitäten 170–220 W/(m·K). Berylliumoxid lag bei 250–300, wurde jedoch in den meisten Ländern verboten. Bornitrid-Plättchen (h-BN) ergeben 300–600 in der -Ebene, wenn sie in einem Polymer ausgerichtet sind, vielleicht 30 in der -Ebene. Einfaches Aluminiumoxid (Al2O3) liegt nur bei 30–35, wird aber trotzdem von 90 % der LED-Platinen verwendet, weil es billig und dielektrisch ist.

Polymere und Fette

Ungefülltes Epoxidharz oder Polyurethan beträgt 0,2–0,3 W/(m·K). Beladen Sie es mit 70 Vol.-% Aluminiumoxid oder Bornitrid und Sie können 2–4 W/(m·K) erreichen. Wärmeleitpads, die Sie bei Digi-Key kaufen, haben normalerweise eine Masse von 1–8 W/(m·K), aber der eigentliche Engpass ist der Kontaktwiderstand auf jeder Seite. Phasenwechselmaterialien beginnen bei 3–5, Flüssigmetall-Grenzflächen (Gallium) können Sie auf über 30 bringen, wenn Sie mit dem Durcheinander leben können.

Typische Werte, die ich tatsächlich verwende, wenn ich Kühlkörper dimensioniere

Fazit: Die Bulk-k-Zahl ist nur die halbe Wahrheit. Kontaktwiderstand, Oberflächenbeschaffenheit, Montagedruck und Temperaturabhängigkeit entscheiden normalerweise darüber, ob Ihre CPU drosselt oder Ihr IGBT lebt.

Bei Designs im ersten-Durchlauf reduziere ich die Laborwerte immer um mindestens 30 % und messe dann die tatsächliche Sperrschichttemperatur auf dem Prüfstand. Alles andere erfordert Feldrückgaben.