مقدمة
يُعد التبديد الفعال للحرارة أمرًا بالغ الأهمية في مجال الإلكترونيات والإلكترونيات الضوئية عالية الأداء، حيث تحدث أحمال حرارية عالية في مساحات ضيقة للغاية.
ويُعد الماس مناسبًا بشكل خاص لمثل هذه التطبيقات، حيث يجمع بين الصلابة الفائقة وأعلى موصلية حرارية مقارنة بأي مادة طبيعية، حيث تتجاوز 2000 واط/(م·كلفن) في درجة حرارة الغرفة. كما أن انخفاض التمدد الحراري والعزل الكهربائي فيه يدعمان استخدامه في أنظمة التبريد الصعبة.
ومع ذلك، لا يزال إجراء اختبارات دقيقة للموصلية الحرارية للماس يمثل تحديًا بسبب قدرته الاستثنائية على نقل الحرارة وشفافيته البصرية، مما يجعل اختيار الطريقة والأداة والإجراء أمرًا بالغ الأهمية.
الاختبارات المتقدمة داخل الطائرة
عند اختبار الانتشار الحراري للماس في الاتجاه العرضي، تُفرض عادةً متطلبات محددة بشأن سماكة العينة [1].
وعندما تكون العينة رقيقة جدًّا، يحدث انتقال الحرارة في غضون وقت قصير للغاية. وهذا يجعل الدقة الزمنية العالية ذات أهمية خاصة للحصول على إشارة كاشف عالية الجودة. وعلى الرغم من أن مدد النبضات القصيرة التي تصل إلى 10 ميكروثانية تدعم التقاطًا محسّنًا للإشارة، فإن نافذة القياس الضيقة قد تزيد من تعقيد فصل الإشارات وملاءمة المنحنيات. ومع الأخذ في الاعتبار المناسب لهذه العوامل، لا يزال من الممكن إجراء حسابات موثوقة.
وبأخذ جهاز قياس الموجات المقطعية NETZSCH LFA 717 HyperFlash® كمثال، تبلغ تردد جمع البيانات للكاشف 2 ميجاهرتز، مما ينتج عنه فاصل زمني قدره 0.5 ميكروثانية بين نقاط البيانات المتجاورة. وفقًا لمعيار ASTM E1461، يُشترط عمومًا تسجيل ما لا يقل عن 100 نقطة بيانات حتى الوصول إلى نصف الوقت (t₁/₂). ومع ذلك، بالنسبة لعينات الماس الشفافة التي تتمتع بموصلية حرارية فائقة، يُوصى بتسجيل 250 نقطة بيانات، مما ينتج عنه نصف زمن (t₁/₂) لا يقل عن 0.125 مللي ثانية. ويمكن بعد ذلك تقدير الحد الأدنى لسمك العينة القابلة للاختبار (dₘᵢₙ) تقريبًا باستخدام معادلة باركر، حيث يمثل α الانتشار الحراري في اتجاه المستوي العرضي للعينة:
بالنسبة للماس أحادي البلورة الذي تبلغ قيمة α فيه حوالي 1000 مم²/ثانية، يُوصى بألا يقل سمك العينة عن 0.95 مم لضمان دقة كافية للاختبار. ورغم أن استخدام عينات بسماكة أقل قليلاً من هذه القيمة أمر ممكن، إلا أن جودة الإشارة ستتدهور، فعلى سبيل المثال، ستنخفض نسبة الإشارة إلى الضوضاء.
إذا كانت سماكة العينة أقل بكثير من هذه السماكة الموصى بها، فكيف ينبغي اختبار معامل الانتشار الحراري؟
في مثل هذه الحالات، يمكن اختبار العينة باستخدام حامل داخل المستوى (الشكل 1)، والذي يخلق مسارًا أطول لانتشار الحرارة داخل العينة لقياس الاتجاه داخل المستوى بدلاً من ذلك.
يلخص الجدول 1 نتائج الانتشار الحراري داخل المستوى التي تم الحصول عليها لعينة من الماس بسمك 0.638 مم باستخدام حامل عينة داخل المستوى. وأُجريت القياسات في درجة حرارة الغرفة. تم تحديد متوسط الانتشار الحراري داخل المستوى يبلغ 1126.6 مم²/ثانية مع انحراف معياري يبلغ 8.6 مم²/ثانية. ويُظهر التشتت المنخفض للقراءات الفردية قابلية التكرار الممتازة للقياس. تتوافق القيمة المقاسة داخل المستوى مع نطاق الانتشار الملحوظ لعينات الماس المماثلة التي تم تحليلها في اتجاه عبر المستوى في مذكرة التطبيق رقم 438. ويؤكد هذا التوافق أن إعداد LFA داخل المستوى مناسب لتوصيف المواد ذات الانتشار الحراري العالي جدًّا.
يُعرض منحنى ارتفاع درجة الحرارة المقابل في الشكل 2. تُظهر الإشارة المقاسة زيادة حادة فور حدوث النبضة الضوئية، يتبعها انخفاض تدريجي. ويشير التوافق الجيد جدًّا بين المنحنى التجريبي ومنحنى النموذج المُلائم إلى أن نموذج تدفق الحرارة داخل المستوى المُختار يمثل بدقة الاستجابة الحرارية لعينة الماس. وتدعم جودة الملاءمة المستقرة وانخفاض درجة عدم اليقين في القياس موثوقية قيمة الانتشار داخل المستوى التي تم الحصول عليها.
الخلاصة
تُظهر النتائج بوضوح أن طريقة LFA مناسبة لدراسة المواد عالية التوصيل في الاتجاه المستوي. وحتى بالنسبة للماس، الذي يتميز بانتشار حراري سريع جدًّا، فقد أسفر القياس المستوي عن نتائج موثوقة وقابلة للتكرار بدرجة عالية.
ويؤكد متوسط الانتشار الحراري داخل المستوى البالغ 1126.6 مم²/ثانية، إلى جانب الانحراف المعياري النسبي الذي يبلغ حوالي 0.76٪، استقرار نهج القياس هذا. كما أن التوافق الممتاز بين منحنى ارتفاع درجة الحرارة المقاس والنموذج المطابق يدعم بشكل أكبر صحة التقييم المطبق داخل المستوى.
لذلك، يمثل تحليل LFA داخل المستوى طريقة قيّمة لتحديد خصائص النقل الحراري الاتجاهي، خاصةً بالنسبة للمواد الرقيقة وذات التوصيل العالي. وباستخدام حامل عينات مناسب، ومعلمات قياس ملائمة، ونموذج تقييم مخصص داخل المستوى، يمكن الحصول على بيانات موثوقة للانتشار الحراري داخل المستوى.
وتدعم هذه القيم الموثوقة اختيار المواد والتصميم الحراري ودقة المحاكاة، مما يساعد على تقليل ارتفاع درجة الحرارة الموضعي وتحسين أداء المكونات وعمرها الافتراضي.