נחושת מוצקה היא אוטוסטרדה תרמית, אך היא מתרחבת כמו קונצרטינה כאשר היא מחוממת. בלוח דיוק רב-שכבתי, הרחבה זו עלולה לקרוע אותה ממרכיבי הקרמיקה או הסיליקון השכנים שלה. נחושת-טונגסטן (CuW) הוא חומר מרוכב מהונדס המאלף את ההתפשטות התרמית הפרועה הזו על ידי הטמעת חלקיקי טונגסטן קשיחים עם התפשטות- נמוכה לתוך הנחושת הרכה והמוליכה. המחיר ליציבות מימדית זו משולם בהפחתה קלה ביכולתו של החומר לפזר חום במהירות.
יסודות הפיזור התרמי
דיפוזיות תרמית, המהירות שבה חום מתפשט דרך חומר, היא המדד הקריטי בתכנון הפלטה. נחושת טהורה מציגה דיפוזיה תרמית גבוהה מאוד, בסביבות 115 מ"מ לשנייה, מה שהופך אותה למהירה במיוחד בהפצת חום. בקומפוזיט CuW, עם בדרך כלל 20% עד 40% טונגסטן לפי נפח, הדיפוזיטיביות נמוכה יותר באופן פרופורציונלי-אולי 70-90 מ"מ לשנייה-מכיוון שטונגסטן מוליך חום בצורה פחות יעילה מנחושת ומגדיל את מסת החומר המרוכב.
הטונגסטן פועל כעוגן תרמי ומכני, מאט את ההתפשטות הפרועה של הנחושת ומחליש מעט את הספרינט התרמי שלה, תוך שמירה על מוליכות מספקת לפיזור חום יעיל.
מקדם התפשטות תרמית והרמוניה ממדית
היתרון העיקרי של קומפוזיט CuW טמון במקדם ההתפשטות התרמית הניתן לכוונון שלו (CTE). ניתן להנדס CuW CTE בין ~6.5 ל~9.0 ×10⁻⁶/מעלה, בהשוואה ל-~17 ×10⁻⁶/מעלה של נחושת טהורה. הרחבה מותאמת זו מאפשרת ללוח המרוכב להתאים באופן הדוק ל-CTE של רכיבים עדינים כגון פרוסות סיליקון או מצעים קרמיים.
הייצור מתבצע בדרך כלל על ידי חדירת שלד טונגסטן נקבובי עם נחושת מותכת, יצירת קשר מתכתי המשלב את הולכת החום של הנחושת עם היציבות הממדית של טונגסטן. לכן, החומר המרוכב הוא החומר המועדף עבור מפזרי חום מוליכים למחצה-עם הספק גבוה ולוחות חימום מיוחדים מסוימים שבהם התאמת CTE מושלמת אינה-ניתנת למשא ומתן. מהנדסים מחליפים חלק מהספרינט התרמי של הנחושת עבור הרמוניה ממדית מוחלטת.
פיזור תרמית של CuW Composite לעומת צלחת נחושת
ההשוואה בין דיפוזיטיביות תרמית של לוח נחושת CuW מרוכבים מדגימה פשרה מתכתית קלאסית:
נחושת מוצקה:דיפוזיות תרמית גבוהה (~115 מ"מ לשנייה), CTE גבוהה (~17 ×10⁻⁶/מעלה), התפשטות חום מהירה, התאמה ממדית לקויה לקרמיקה ולסיליקון.
CuW Composite:דיפוזיה תרמית מתונה (~70-90 מ"מ לשנייה), CTE נמוך וניתן להתאמה (~6.5-9.0 ×10⁻⁶/מעלה), התפשטות חום מעט איטית יותר, התאמה ממדית מעולה לחומרים רגישים.
תכולת הטונגסטן פועלת כמייצב תרמי ומכני כאחד, ומבטיחה שהלוח נשאר שטוח וניתן לחיזוי תחת מחזוריות-בטמפרטורה גבוהה, תוך מתן ביצועים תרמיים מספיקים ליישומים תובעניים.
מַסְקָנָה
הלוח המרוכב CuW הוא יצירת מופת של פשרה מתכתית. הוא מקריב חלק מהדיפוזיטיביות התרמית המהירה של הנחושת כדי להשיג את היציבות הממדית הבלתי מתפשרת של טונגסטן, ויוצר פלטפורמה תרמית הרמונית עבור מצעים רגישים. ביישומי חימום מדויק, הביצועים הטובים ביותר אינם תמיד קשורים למהירות מרבית-זה עוסק בהתאמה מושלמת לדרישות התרמיות והמכניות של חלק העבודה.
