Supersolder weist beispiellose thermische Eigenschaften auf

Anonim

In der Elektronik wird Lot verwendet, um zwei Teile miteinander zu verbinden. Eine seiner wichtigsten Funktionen als Brücke besteht darin, Wärme von kritischen elektronischen Bauteilen in Richtung des Kühlkörpers zu leiten, der Luft oder Wasser zur sicheren Wärmeabfuhr nutzt. Mit dem technologischen Fortschritt, der es ermöglicht, kleinere und leistungsfähigere Computer und Elektronik zu entwickeln - und bei Temperaturen von mehr als 100 ° C in Computerchips - ist diese Wärmeableitungsfunktion wichtiger denn je.

Konventionelle Lötmittel erreichen jedoch die Grenze ihrer Fähigkeit, Wärme über eine lange Lebensdauer effektiv zu leiten, wodurch die Wärmeableitung ein begrenzender Faktor für die weitere Computer- und Elektronikentwicklung wird. Wenn diese Felder weiter voranschreiten sollen, muss dieser entscheidende Engpass überwunden werden.

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Das Produkt eines 2013 DARPA Young Faculty Award, Supersolders, ist ein Thermal Interface Material (TIM), entwickelt von Sheng Shen, Professor für Maschinenbau an der Carnegie Mellon, in Zusammenarbeit mit Forschern des National Renewable Energy Laboratory. Vier Jahre Arbeit haben zur Schaffung eines Materials geführt, das die gleiche Rolle wie herkömmliche Lote erfüllen kann, aber mit der doppelten Wärmeleitfähigkeit der aktuellen TIMs auf dem neuesten Stand der Technik.

Das Geheimnis hinter Shens Durchbruch sind Kupfer-Zinn-Nanodraht-Arrays.

"Die Nanodrähte werden aus einer Schablone, wie eine Form, mit kleinen Poren gezüchtet", sagt Shen. "Es ist eine Chip-Technologie, bei der eine Schicht nach der anderen galvanisch aufgetragen wird, etwa wie man ein elektrisches Kabel beschichtet, indem man es in den Elektrolyt taucht."

Die resultierende Anordnung weist bemerkenswerte thermische Eigenschaften auf, die bei den derzeitigen Lötmaterialien unerreicht sind. Aber nicht nur die Wärmeleitfähigkeit macht den Supersolder einzigartig.

Supersolder weist auch eine außerordentliche Nachgiebigkeit oder Elastizität auf, die der von Gummi oder anderen Polymeren ebenbürtig ist. Dies ist wichtig, da die Teile, die das Lötmittel verbindet, sich ausdehnen und zusammenziehen, wenn sie erhitzt werden, oft mit variierenden Geschwindigkeiten zwischen zwei Teilen unterschiedlicher Zusammensetzung. Verminderte Compliance ist oft der Untergang von herkömmlichen Loten, da sie bei wiederholter Verwendung brüchig werden und ihre Fähigkeit, Wärme im Laufe der Zeit zu leiten, verschlechtern. Laut Shen ist die Konformität des Überträgers um zwei bis drei Größenordnungen höher als bei diesen Materialien.

Ein Experiment, das sein Team durchgeführt hatte, passte zu einer Supersolder-Anordnung gegen eine herkömmliche Lötanordnung von Zinn. Während das herkömmliche Lötmittel nach weniger als 300 Stunden Zykluszeit eine Abnahme der Wärmeleitfähigkeit zu zeigen begann, arbeitete der Übersubleiter nach über 600 Stunden mit einer maximalen Wärmeleitfähigkeit. Tatsächlich hat es so gut funktioniert, dass seine genauen Grenzen noch unbekannt sind.

"Wir wissen, dass es weitergehen kann", sagt Shen. "Der einzige Grund, warum wir das Experiment beendet haben, war, dass wir das Papier veröffentlichen mussten!"

Während die oberen Grenzen der Fähigkeiten des Supersolders immer noch erforscht werden, sind seine potenziellen zukünftigen Anwendungen offensichtlich. Supersolder könnte konventionelles Löten in elektronischen Systemen ersetzen, die von Mikro- und tragbaren Elektronikgeräten bis hin zu Rechenzentren in Lagerhäusern reichen, um die Temperaturen zu senken und so die Leistungsdichte und Zuverlässigkeit deutlich zu verbessern. Alles, was konventionelles Lot kann, kann der Superabsorber besser machen - fast.

Shen ist sehr zufrieden mit den Ergebnissen des Superladers, aber seine Arbeit ist noch nicht abgeschlossen. Er sieht noch Raum für Verbesserungen. Das Material ist elektrisch leitend: eine Eigenschaft, die in bestimmten Anwendungen unerwünscht ist. Daher ist es sein nächstes Ziel, eine Version des Supersolders zu entwickeln, die ihre Wärmeleitfähigkeit beibehält und gleichzeitig als elektrischer Isolator wirkt.

Nach vier Jahren Arbeit konnte ihn nur wenig davon abhalten, sein Material zu perfektionieren.

"Die Idee ist sehr einfach: Sie haben eine Herausforderung und Sie versuchen es weiter, bis Sie es zum Laufen gebracht haben."

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