Metallic phase change materials (mPCMs) stability and compatibility analysis under repetitive melting/solidification cycles

Abstract

Metallic phase change materials (mPCMs) have been demonstrated as a potential passive cooling solution for pulse power applications. The possibility of integrating a metallic PCM directly on top of a heat source, reducing the thermal resistance between the device and the cooling system, could result in a significant improvement in thermal management for transient applications. However, many thermo-physical properties of these alloys are still unknown, furthermore, their microstructural stability with repetitive melting/solidification cycles was not guaranteed. In this work, we provide a series of potential mPCMs for thermal management of electronics operating on a wide range of application temperatures, followed by an experimental investigation of microstructural and thermo-physical stability of these materials under repetitive melting solidification cycles. Results of the effect of cyclic thermal loading of theses alloys on the melting behavior and latent heat of fusion are discussed. In the second phase of analysis, the alloys were again subjected to thermal cycles on a gold-plated substrate, to evaluate the thermophysical characteristics under environmental conditions closer to that of electronic packaging. Thermal stability of 51.0wt.%In-32.5wt.%Bi-16.5wt.%Sn, 50wt.%Bi26.7wt%Pb-13.3wt%Sn-10wt%Cd and 57-wt.%Bi-26wt.%In- 17wt.%Sn alloys, as potential mid-temperature mPCM, were evaluated. The results suggested that these mPCM maintain their thermo-physical stability over large periods of thermal cycles.

Los materiales metálicos que cambian de fase (mPCMs, por sus siglas en inglés) han demostrado ser una posible solución de enfriamiento pasiva para aplicaciones de “potencia de pulso”. La posibilidad de integrar un PCM metálico directamente encima de una fuente de calor, reduce la resistencia térmica entre el dispositivo y el sistema de refrigeración, podría resultar en una mejora significativa en el control térmico para aplicaciones transitorias. Sin embargo, muchas propiedades termo físicas de estas aleaciones son todavía desconocidas, además su estabilidad microestructural con ciclos repetitivos de fusión/solidificación no está garantizada. En este trabajo proporcionamos una serie de mPCM que son potenciales candidatos, en el área de manejos termales dentro de la electrónica y que operan en una amplia gama de temperaturas aplicacionales, seguido de una investigación experimental de la estabilidad microestructural y termo física de estos materiales bajo ciclos de solidificación y fusión repetitiva. Se discuten los resultados del efecto de la carga térmica cíclica de estas aleaciones sobre el comportamiento de fusión y el calor latente de fusión. En la segunda fase las aleaciones fueron nuevamente sometidas, a ciclos termales sobre un substrato de oro, con el propósito de evaluar las propiedades termo físicas bajo condiciones ambientales más cercanos a las presentes en los empaques electrónicos. La estabilidad térmica de las aleaciones 51.0 wt.% In-32.5 wt.%Bi-16.5 wt.%Sn y 50wt.%Bi-26.7wt%Pb-13.3wt%Sn-10wt%Cd y 57-wt.%Bi-26wt.%In- 17wt.%Sn, como iv temperatura media potencial mPCM, han sido evaluados. Los resultados sugieren que estos mPCM mantienen su estabilidad termo física, durante grandes períodos de ciclos termales.