Massief koper is een thermische snelweg, maar zet bij verhitting uit als een concertina. In een precisieplaat met meerdere- lagen kan deze uitzetting deze losscheuren van de aangrenzende keramische of siliciumcomponenten. Koper-wolfraam (CuW) is een samengesteld composiet dat deze wilde thermische uitzetting temt door stijve wolfraamdeeltjes met lage- expansie in het zachte, geleidende koper in te bedden. De prijs voor deze maatvastheid wordt betaald in een lichte vermindering van het vermogen van het materiaal om snel warmte te verspreiden.
Grondbeginselen van thermische diffusie
Thermische diffusiviteit, de snelheid waarmee warmte zich door een materiaal verspreidt, is de kritische maatstaf bij het ontwerpen van platen. Zuiver koper vertoont een zeer hoge thermische diffusiteit, ongeveer 115 mm²/s, waardoor het uitzonderlijk snel warmte verspreidt. In een CuW-composiet, met doorgaans 20% tot 40% wolfraam per volume, is de diffusiteit proportioneel lager-misschien 70-90 mm²/s-omdat wolfraam de warmte minder effectief geleidt dan koper en de massa van het composiet vergroot.
Het wolfraam fungeert als een thermisch en mechanisch anker, waardoor de wilde uitzetting van het koper wordt vertraagd en de thermische sprint enigszins wordt gedempt, terwijl er voldoende geleidbaarheid behouden blijft voor een effectieve warmteverspreiding.
Coëfficiënt van thermische uitzetting en dimensionale harmonie
Het belangrijkste voordeel van een CuW-composiet ligt in de instelbare thermische uitzettingscoëfficiënt (CTE). CuW CTE kan worden vervaardigd tussen ~6,5 en ~9,0 ×10⁻⁶/ graad, vergeleken met ~17 ×10⁻⁶/ graad van puur koper. Dankzij deze op maat gemaakte uitbreiding kan de composietplaat nauw aansluiten bij de CTE van delicate componenten zoals siliciumwafels of keramische substraten.
De productie wordt doorgaans bereikt door een poreus wolfraamskelet te infiltreren met gesmolten koper, waardoor een metallurgische verbinding ontstaat die de warmtegeleiding van koper combineert met de dimensionale stabiliteit van wolfraam. Het composiet is daarom het materiaal bij uitstek voor halfgeleiderwarmteverspreiders met hoog-vermogen en bepaalde gespecialiseerde verwarmingsplaten waarbij een perfecte CTE-afstemming niet-onderhandelbaar is. Ingenieurs ruilen een deel van de thermische sprint van koper in voor absolute dimensionale harmonie.
CuW-composiet versus thermische diffusie van koperen platen
De vergelijking van CuW-composiet versus de thermische diffusiviteit van koperen platen toont een klassiek metallurgisch compromis aan:
Massief koper:Hoge thermische diffusiviteit (~115 mm²/s), hoge CTE (~17 ×10⁻⁶/ graad), snelle warmteverspreiding, slechte maatvoering met keramiek en silicium.
CuW-composiet:Matige thermische diffusie (~70–90 mm²/s), lage en aanpasbare CTE (~6,5–9,0 ×10⁻⁶/ graad), iets langzamere warmtespreiding, uitstekende maatvoering voor gevoelige materialen.
Het wolfraamgehalte fungeert zowel als thermische als mechanische stabilisator, waardoor de plaat vlak en voorspelbaar blijft bij hoge- temperatuurwisselingen, terwijl er toch voldoende thermische prestaties worden geleverd voor veeleisende toepassingen.
Conclusie
De CuW-composietplaat is een meesterwerk van metallurgische compromissen. Het offert een deel van de snelle thermische diffusiviteit van koper op om de onverzettelijke dimensionele stabiliteit van wolfraam te verkrijgen, waardoor een harmonieus thermisch platform voor gevoelige substraten ontstaat. Bij precisieverwarmingstoepassingen gaat het bij de beste prestaties niet altijd om de maximale snelheid-het gaat erom dat het perfect is afgestemd op de thermische en mechanische vereisten van het werkstuk.
