Breve conclusione

Con la stessa dimensione media delle particelleD50=10 µmdifferenza traSiC 88% e SiC 90%potrebbero avere implicazioni per il trasferimento di calore nei sistemi termici a LED. Una maggiore purezza significa meno impurità e quindi meno potenziali centri di diffusione dei fononi e barriere termiche all'interno del materiale composito.

Per applicazioni in cui è richiesta una dissipazione del calore stabile - ad es.fari LED per automobili, moduli LED- ad alta potenza, illuminazione stradale, proiettori e compositi a matrice metallica AlSiC/CuSiC- SiC 90% è solitamente l'opzione preferita, a parità di tutte le altre condizioni.

Tuttavia, una differenza di 2 punti percentuali non può essere considerata una garanzia universale di un certo aumento della conduttività termica. Il risultato effettivo dipende non solo dal contenuto di SiC, ma anche dagranulometria, forma delle particelle, tipo di matrice, contenuto di legante, qualità dell'interfaccia, tecnologia di miscelazione, pressatura e sinterizzazione, nonché le condizioni operative.

Perché la conduttività termica è così importante per i LED

Il LED converte l'energia elettrica in luce e calore. Una parte significativa del calore viene generata nell'areap-n-transizione, quindi l'efficienza di dissipazione del calore è direttamente correlata alla temperatura operativa del LED.

Se il raffreddamento non è sufficientemente efficace, potrebbe verificarsi quanto segue:

• aumentare la temperatura della giunzione p-n-;
• riduzione dell'efficienza luminosa;
• invecchiamento accelerato del fosforo;
• cambiamento nelle caratteristiche ottiche;
• aumento dello stress termico;
• Riduzione della vita utile del modulo LED.

Pertanto, quando si sviluppano materiali termicamente conduttivi per i LED, viene prestata molta attenzione ai materiali con elevata conduttività termica.

Carburo di silicio (SiC)utilizzato in varie composizioni termicamente conduttive grazie alla combinazione di elevata conduttività termica, stabilità termica e resistenza alle alte temperature.

A seconda della forma e della struttura del materiale, la conduttività termica del SiC può variare in modo significativo. Per il SiC monocristallino e ceramico la letteratura di riferimento fornisce valori dell’ordine di120–270 W/(m·K), mentre per alcuni compositiAlSiCun intervallo tipico può essere approssimativo170–200 W/(m·K).

In questo caso, le proprietà del composito finito non possono essere direttamente equiparate alla conduttività termica di un cristallo SiC puro.

1. Perché la purezza del SiC influisce sulla conduttività termica?

Il calore nella struttura cristallina del SiC viene trasferito principalmente attraversofononi, cioè vibrazioni collettive del reticolo cristallino.

Minori sono i difetti strutturali e le fasi estranee, più efficiente sarà il trasferimento di calore.

Il carburo di silicio industriale può contenere diversi componenti residui:

• SiO₂;
• carbonio libero;
• ossidi di ferro;
• ossidi di alluminio;
• ossidi di calcio;
• altri resti minerali.

Pertanto, due prodotti con la stessa dimensione delle particelle ma diverso contenuto di SiC possono mostrare un comportamento diverso in un composito termicamente conduttivo.

Meccanismo di base dello scattering - dei fononi

Quando l’energia termica passa attraverso un materiale, le impurità e i difetti reticolari possono disperdere i fononi.

Ciò riduce il percorso libero medio dei fononi e può ridurre l'effettiva conduttività termica.

Così:

meno impurità → meno potenziali barriere termiche → trasferimento di calore più efficiente.

Ecco perché aumentare la pulizia conDall'88% al 90%può essere tecnologicamente significativo nei sistemi di conduzione del calore sensibili.

2. Cosa significa SiC 88% e SiC 90%?

SimboloSiC 88%significa che il contenuto di carburo di silicio è di circa l'88%, mentre il resto è costituito da componenti correlati.

PerSiC90%il contenuto del componente principale è maggiore, quindi la proporzione dei componenti residui è inferiore.

Semplificato:

È importante notare che questi valori lo sonoconfronto della purezza nominale, e non la conducibilità termica garantita del prodotto finito.

3. Perché il SiO₂ è importante

Uno dei componenti residui più importanti del SiC industriale èbiossido di silicio SiO₂.

La conduttività termica del SiO₂ è significativamente inferiore a quella del SiC. A seconda della forma, della temperatura e della struttura del materiale, la differenza può essere più volte; Per un confronto pratico, il sistema in esame viene spesso utilizzato come linea guida secondo cui SiO₂ conduce approssimativamente il calore5-10 volte peggiore del SiC.

Pertanto, la presenza di fasi a bassa conducibilità termica può creare ulteriori zone di resistenza al flusso di calore.

Se le particelle di SiC vengono utilizzate come riempitivo in una matrice metallica, ad esempio inAlSiC o CuSiC, diventa importante anche lo stato superficiale delle particelle.

Uno strato eccessivo di impurità può:

• peggiorare il contatto tra il riempitivo e la matrice metallica;
• aumentare la resistenza termica interfacciale;
• influenzare la bagnatura della superficie;
• modificare la struttura dell'interfaccia dopo il trattamento termico.

È l’interfaccia tra SiC e la matrice metallica che spesso diventa uno dei fattori chiave che determinano l’effettiva conduttività termica del composito.

4. Perché è importante anche D50=10 µm

Il contenuto SiC - non è l'unico parametro.

Nella richiesta tecnicaD50=10 µmsignifica che la dimensione media caratteristica delle particelle secondo un particolare metodo di misurazione è di circa 10 µm.

La dimensione delle particelle influisce:

• superficie del riempitivo;
• distribuzione delle particelle nella matrice;
• qualità della miscelazione;
• formazione di agglomerati;
• contatto interfacciale;
• numero di potenziali confini termici.

Pertanto, quando si confrontaSiC 88% e SiC 90%È necessario mantenere quanto più possibile:

• D50;
• distribuzione delle particelle;
• forma delle particelle;
• metodo di misurazione della granulometria;
• superficie delle particelle;
• Contenuto di umidità;
• Processo tecnologico di produzione di materiale composito;
• Altrimenti, i risultati sperimentali potrebbero essere dovuti a qualcosa di più che semplici errori.

5. SiC 88% vs 90%: con lo stesso D50

Se due prodotti con lo stessoD50=10 µm, la differenza di purezza diventa più evidente dal punto di vista del controllo della composizione delle materie prime.

SiC 88%

Il vantaggio del SiC all’88% è solitamente il costo inferiore delle materie prime.

Per alcune applicazioni in cui i requisiti di conduttività termica non sono massimi, tale materiale può essere economicamente giustificato.

Tuttavia, una percentuale maggiore di componenti residui significa potenzialmente più:

• fasi di ossido;
• carbonio libero;
• impurità minerali;
• aree con minore conduttività termica.

SiC90%

SiC 90% contiene più componente principale e meno fasi residue.

Questo può aiutare:

• ridurre il numero di potenziali barriere termiche;
• trasferimento di calore più stabile;
• comportamento più prevedibile del riempitivo;
• migliorare il controllo sulla composizione del partito.

Per LED ad alta potenza e compositi termicamente conduttivi dove la temperatura è un parametro critico,SiC90%è solitamente una fonte di materiale più logica per i test comparativi.

6. Il ruolo del SiC nei compositi AlSiC e CuSiC

Una delle applicazioni più importanti del SiC nella gestione termica sono i compositi a matrice metallica -.

AlSiC

In compositoAlSiCLe particelle di carburo di silicio sono distribuite nella matrice di alluminio.

Tali materiali vengono utilizzati laddove è necessario ottenere contemporaneamente:

• efficiente rimozione del calore;
• peso relativamente basso;
• dilatazione termica controllata;
• stabilità dimensionale;
• resistenza meccanica sufficiente.

Ciò rende AlSiC un materiale interessante per alcuni contenitori, dissipatori di calore e componenti di sistemi elettronici.

CuSiC

CuSiCutilizza il rame come matrice metallica.

Il rame stesso ha un'elevata conduttività termica, quindi la combinazione di rame e SiC può essere utilizzata per creare componenti termici con caratteristiche di espansione termica e dissipazione del calore controllate.

In entrambi i casi, la qualità della superficie del SiC e la sua distribuzione nella matrice metallica sono di grande importanza.

7. Effetto sulla temperatura della giunzione p-n-LED

Per i LED non è sufficiente dichiarare semplicemente l’elevata conduttività termica del riempitivo.

La principale questione pratica è quanto efficacemente il progetto finale rimuove il calore dalla regione della giunzione p-n-.

La catena condizionale è simile a questa:

Giunzione LED → substrato → materiale termoconduttivo → dissipatore di calore → ambiente

Se la resistenza al flusso di calore aumenta in qualsiasi punto, la temperatura della giunzione p-n- potrebbe aumentare.

Pertanto, migliorare la qualità del SiC può avere senso proprio quando porta a un miglioramento delle prestazionimateriale termoconduttore già pronto, e non solo la polvere originale.

8. Esempio di test: 90% contro 88%

I materiali forniti per l'analisi forniscono un esempio di test del produttore, in cuiSiC 88% è stato sostituito da SiC 90% con un D50 di circa 10 µmin composito AlSiC per distributore termico dei fari LED- delle automobili.

Secondo il produttore si sono ottenuti i seguenti risultati:

• La conduttività termica del composito è aumentata di circa15%;
• la temperatura della giunzione p-n- è diminuita di circa8 gradi;
• la durata stimata nei test accelerati è aumentata di circa20%.

Questi indicatori devono essere considerati proprio comedati di test del produttore, e non come risultato universale per qualsiasi AlSiC o qualsiasi modulo LED-.

Nella scelta delle materie prime si consiglia di ripetere la prova comparativa sulla propria ricetta.

9. Quali fattori possono cambiare il risultato?

Non si può presumere che la sostituzione dell’88% di SiC con il 90% fornisca automaticamente lo stesso aumento di conduttività termica in tutti i sistemi.

Il risultato finale è influenzato da:

Dimensione delle particelle

Anche con lo stesso D50 nominale la distribuzione delle particelle può variare.

Agglomerazione

Accumuli di piccole particelle possono creare disomogeneità e ulteriore resistenza termica.

Interfaccia SiC/metallo

La qualità del contatto tra il riempitivo e la matrice è di grande importanza.

Frazione volumetrica SiC

L'aumento del contenuto di riempitivo può influenzare la conduttività termica, la densità, la viscosità e la lavorabilità.

Tecnologia di produzione

Miscelazione, pressatura, infiltrazione, sinterizzazione e trattamento termico possono modificare in modo significativo la struttura del materiale finale.

Temperatura operativa

La conduttività termica e la stabilità dell'interfaccia possono cambiare con la temperatura.

Pertanto, è necessario confrontare non solo le polveri, ma anchemateriali compositi già pronti.

10. Dove ha senso utilizzare SiC 90%

Una purezza più elevata è particolarmente interessante per le applicazioni in cui il controllo della temperatura è un requisito tecnico chiave.

Illuminazione a LED-per autoveicoli

I fari e gli altri moduli LED-ad alta potenza funzionano in condizioni di carico termico elevato.

La dissipazione stabile del calore aiuta a controllare la temperatura del gruppo LED.

Illuminazione stradale

I potenti apparecchi di illuminazione a LED- funzionano a lungo, quindi l'efficienza della dissipazione del calore influisce sulla stabilità del funzionamento.

Faretti a LED-

Per i proiettori e altri sistemi di illuminazione ad alta potenza, la temperatura è un importante fattore di affidabilità.

Custodie elettroniche e dissipatori di calore

AlSiC e CuSiC possono essere utilizzati in strutture dove è richiesta una combinazione di conduttività termica e coefficiente controllato di dilatazione termica.

11. Quando SiC 88% può essere economicamente giustificato

SiC 90% non è necessariamente la scelta migliore per ogni progetto.

Se il sistema:

• non funziona con carico termico elevato;
• consente temperature di esercizio più elevate;
• ha un margine significativo di resistenza termica;
• sensibile al costo delle materie prime;
• QuelloSiC 88%potrebbe essere un'opzione adatta.

In questo caso è consigliabile condurre un test comparativo e stimare il costo non solo delle materie prime, ma dell'intero sistema.

A volte un riempitivo più economico è più economico se la conduttività termica finale rimane entro le specifiche.

12. Come confrontare correttamente SiC 88% e SiC 90% prima dell'acquisto

Si consiglia di generare una specifica comparativa per l'acquirente o il tecnico.

È necessario richiedere al fornitore:

• contenuto di SiC;
• D50;
• composizione granulometrica completa;
• contenuto di SiO₂;
• contenuto di carbonio libero;
• Contenuto di Fe₂O₃;
• Contenuto di Al₂O₃;
• Contenuto di CaO;
• umidità;
• densità apparente;
• metodo di misurazione della dimensione delle particelle;
• COA per lotto.

È particolarmente importante non limitarsi alla frase"SiC 90%".

Per gli approvvigionamenti industriali è molto più utile avere un'analisi chimica completa e granulometria controllata.

13. Consigli per l'acquisto

Se il materiale è destinato a un composito LED- altamente termicamente conduttivo, la specifica può registrare separatamente:

Purezza del SiC:Maggiore o uguale al 90%
D50:10 μm
Distribuzione granulometrica:secondo l'intervallo concordato
SiO₂:secondo il limite concordato
Carbonio libero:secondo il limite concordato
Umidità:secondo il limite concordato
Certificato di autenticità:per ogni lotto

Per la produzione di massa, è inoltre auspicabile effettuare il controllo in entrata di diversi indicatori chiave.

Ciò evita una situazione in cui la qualità nominale rimane la stessa, ma il comportamento effettivo del materiale varia da lotto a lotto.

14. Conclusione: SiC 88% o SiC 90%?

SeD50 è lo stesso ed è 10 µm, la maggiore purezza del SiC al 90% fornisce una percentuale inferiore di componenti residui.

Dal punto di vista della gestione termica ciò significa potenzialmente:

meno impurità → meno potenziali barriere termiche → meno dispersione di fononi → trasferimento di calore più efficiente.

Pertanto, per i responsabiliGestione termica LEDapplicazioni, soprattutto inAlSiC e CuSiC, SiC 90% è l'opzione preferibile per iniziare i test di qualificazione.

Tuttavia, la scelta finale dovrebbe basarsi sul test del composito finito.

Non si può affermare direttamente che qualsiasi SiC 90% sarà SiC 88% 高15%导热率.La differenza effettiva dipende dalla composizione chimica, dalla dimensione e dalla distribuzione delle particelle, dall'interfaccia e dalla tecnologia di produzione.

Domande frequenti

1. Cos'è meglio per LED - SiC 88% o SiC 90%?

Con lo stesso D50SiC90%è generalmente l'opzione preferita per le applicazioni termoconduttive perché contiene meno componenti residui.

2. Perché la purezza del SiC influisce sulla conduttività termica?

Le impurità possono disperdere i fononi e creare fasi a bassa conduttività termica, aumentando la resistenza al flusso di calore.

3. Cosa significa D50=10 µm?

D50 caratterizza la dimensione media delle particelle in base al metodo di misurazione utilizzato. Per un acquisto specifico è necessario concordare anche la distribuzione completa delle particelle.

4. Il SiC al 90% può garantire una riduzione della temperatura del LED di 8 gradi?

No. Valore ca.8 gradisi riferisce all'esempio di prova specificato dal produttore. Non è una garanzia generale.

5. Da dove viene la cifra +15% per la conduttività termica?

Questorisultato del test del produttoredato nel materiale originale. Per altre composizioni AlSiC, il risultato potrebbe differire.

6. Perché SiO₂ compromette la conduttività termica?

Il SiO₂ ha una conduttività termica significativamente inferiore rispetto al SiC, quindi la sua presenza può creare ulteriori barriere termiche.

7. SiC 88% è adatto per AlSiC?

Sì, in alcuni sistemi orientati al risparmio è possibile utilizzare SiC all'88% se la conduttività termica risultante soddisfa i requisiti.

8. Perché il SiC al 90% potrebbe essere preferibile per i LED automobilistici?

I fari a LED- delle automobili funzionano con un carico termico significativo, quindi la stabilità del trasferimento di calore è di maggiore importanza.

9. È possibile confrontare il SiC 88% e il 90% solo in base al contenuto di SiC?

No. Deve essere preso in considerazioneD50, distribuzione delle particelle, SiO₂, carbonio libero, ossidi metallici, umidità e qualità del lotto.

10. Qual è la dimensione delle particelle migliore per il composito LED-?

Non esiste una soluzione unica adatta a tutti. Questo confronto consideraD50 circa 10 µm, ma la dimensione ottimale dipende dalla formulazione specifica e dalla tecnologia di produzione.

11. Cos'è l'AlSiC?

AlSiC - è un composito a matrice metallica in cui la matrice di alluminio contiene particelle SiC.

12. Cos'è il CuSiC?

CuSiC - è un composito a matrice di rame/carburo di silicio progettato per combinare dissipazione del calore e prestazioni termiche controllate.

13. È necessario ottenere un COA per ogni lotto di SiC?

Per applicazioni industriali è auspicabile ottenereCOA per lotto, soprattutto se il materiale viene utilizzato in componenti termici critici.

14. Il SiC più puro può migliorare la durata della vita dei LED?

Potenzialmente - grazie a una migliore dissipazione del calore e a una temperatura operativa inferiore. Ma la durata dipende dall'intera struttura del LED e dalle condizioni operative.

15. Come verificare se il SiC 90% è davvero migliore del SiC 88%?

Il modo migliore - per condurre un controlloConfronto A/B-con lo stesso D50, ricetta, contenuto di riempitivo e tecnologia di produzione, quindi misurare la conduttività termica e la temperatura del LED.

Conclusione

Per l'utilizzo del carburo di silicio inGestione termica LEDdifferenza traPurezza 88% e 90%.ha una base fisica, ma non può essere separata da altri parametri del materiale.

Con lo stessoD50=10 µmSiC 90% contiene meno fasi residue, il che può ridurre la dispersione dei fononi e il numero di regioni a bassa conduttività termica. Nei compositi a matrice metallicaAlSiC/CuSiCDi ulteriore importanza è la qualità dell'interfaccia tra il SiC e la matrice metallica.

Per LED ad alta potenza, illuminazione automobilistica e altre applicazioni termiche criticheSiC90%è un'opzione ragionevole per i test di qualificazione.

In questo caso, la scelta finale dovrebbe basarsi non solo sulla purezza dichiarata, ma anche suCOA, D50, distribuzione delle particelle, contenuto di SiO₂ e altre impurità, tecnologia di produzione e risultati dei test del composito finito.

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