Pevná meď je tepelná superdiaľnica, ale pri zahriatí sa rozpína ako harmonika. V presnej viacvrstvovej doske- ju táto expanzia môže roztrhnúť od susedných keramických alebo kremíkových komponentov. Meď-volfrám (CuW) je skonštruovaný kompozit, ktorý skrotí túto divokú tepelnú rozťažnosť tým, že do mäkkej vodivej medi vloží tuhé častice volfrámu s nízkou rozťažnosťou-. Cena za túto rozmerovú stálosť sa platí v miernom znížení schopnosti materiálu rýchlo šíriť teplo.
Základy tepelnej difúznosti
Tepelná difúznosť, rýchlosť, ktorou sa teplo šíri materiálom, je kritickou metrikou v dizajne dosky. Čistá meď vykazuje veľmi vysokú tepelnú difúznosť, okolo 115 mm²/s, vďaka čomu je výnimočne rýchla pri distribúcii tepla. V kompozite CuW s typicky 20 % až 40 % objemu volfrámu je difúznosť úmerne nižšia-možno 70–90 mm²/s-pretože volfrám vedie teplo menej efektívne ako meď a zvyšuje hmotnosť kompozitu.
Volfrám pôsobí ako tepelná a mechanická kotva, spomaľuje divokú expanziu medi a mierne tlmí jej tepelný šprint, pričom zachováva dostatočnú vodivosť na efektívne šírenie tepla.
Koeficient tepelnej rozťažnosti a rozmerovej harmónie
Primárna výhoda CuW kompozitu spočíva v jeho laditeľnom koeficiente tepelnej rozťažnosti (CTE). CuW CTE možno skonštruovať medzi ~6,5 a ~9,0 × 10⁻⁶/stupeň v porovnaní s čistou meďou ~17 × 10⁻⁶/stupeň. Táto prispôsobená expanzia umožňuje, aby kompozitná doska tesne zodpovedala CTE jemných komponentov, ako sú kremíkové doštičky alebo keramické substráty.
Výroba sa zvyčajne uskutočňuje infiltráciou poréznej volfrámovej kostry roztavenou meďou, čím sa vytvorí metalurgická väzba, ktorá spája vedenie tepla medi s rozmerovou stabilitou volfrámu. Kompozit je preto materiálom voľby pre-vysokovýkonné polovodičové rozvádzače tepla a určité špecializované vyhrievacie platne, kde je dokonalé prispôsobenie CTE-nedohodnuté. Inžinieri vymenili časť tepelného sprintu medi za absolútnu rozmerovú harmóniu.
Tepelná difúznosť CuW Composite versus Copper Platen
Porovnanie tepelnej difúznosti CuW kompozitu a medenej dosky demonštruje klasický metalurgický kompromis:
Pevná meď:Vysoká tepelná difúznosť (~115 mm²/s), vysoký CTE (~17 × 10⁻⁶/stupeň), rýchle šírenie tepla, zlá rozmerová zhoda s keramikou a kremíkom.
CuW kompozit:Stredná tepelná difúznosť (~70–90 mm²/s), nízky a prispôsobiteľný CTE (~6,5–9,0 × 10⁻⁶/stupeň), mierne pomalšie šírenie tepla, vynikajúca rozmerová zhoda s citlivými materiálmi.
Obsah volfrámu pôsobí ako tepelný aj mechanický stabilizátor, ktorý zaisťuje, že doska zostane plochá a predvídateľná pri vysoko{0}}teplotných cykloch, pričom stále poskytuje dostatočný tepelný výkon pre náročné aplikácie.
Záver
Kompozitná doska CuW je majstrovským dielom metalurgického kompromisu. Obetuje časť rýchlej tepelnej difúznosti medi, aby získal volfrámovú nepoddajnú rozmerovú stabilitu, čím vytvára harmonickú tepelnú platformu pre citlivé substráty. V aplikáciách s presným ohrevom nie je najlepší výkon vždy o maximálnej rýchlosti-, ale o dokonalom prispôsobení tepelným a mechanickým požiadavkám obrobku.
