Úvod
Účinný odvod tepla je klíčový v oblasti vysoce výkonné elektroniky a optoelektroniky, kde dochází k vysokému tepelnému zatížení ve velmi stísněných prostorech.
Diamant je pro takové aplikace obzvláště vhodný, protože kombinuje extrémní tvrdost s nejvyšší tepelnou vodivostí ze všech přírodních materiálů, která při pokojové teplotě přesahuje 2000 W/(m·K). Jeho nízká tepelná roztažnost a elektrická izolace dále podporují jeho využití v náročných koncepcích chlazení.
Přesné měření tepelné vodivosti diamantu však zůstává náročné kvůli jeho výjimečnému přenosu tepla a optické průhlednosti, což činí výběr metody, přístroje a postupu kritickým.
Pokročilé testování v rovině
Při testování tepelné difuzivity diamantu ve směru napříč rovinou se na vzorek obvykle kladou specifické požadavky na tloušťku [1].
Je-li vzorek velmi tenký, dochází k přenosu tepla v extrémně krátkém čase. Z tohoto důvodu je pro získání vysoce kvalitního signálu detektoru obzvláště důležité vysoké časové rozlišení. Ačkoli již pulzy o délce pouhých 10 µs umožňují lepší zachycení signálu, úzké měřicí okno může zvýšit složitost separace signálů a aproximace křivek. Při náležitém zohlednění těchto faktorů lze i tak dosáhnout spolehlivých výpočtů.
Jako příklad lze uvést systém pro měření tepelné vodivosti diamantu NETZSCH LFA 717 HyperFlash®, u něhož je frekvence sběru dat detektorem 2 MHz, což odpovídá časovému intervalu 0,5 μs mezi sousedními datovými body. Podle normy ASTM E1461 se obecně vyžaduje zaznamenání alespoň 100 datových bodů až do poloviny doby (t₁/₂). U průhledných diamantových vzorků s mimořádně vysokou tepelnou vodivostí se však doporučuje 250 datových bodů, což vede k minimální době poločasu (t₁/₂) 0,125 ms. Minimální tloušťku testovatelného vzorku (dₘᵢₙ) lze poté hrubě odhadnout pomocí Parkerova vzorce, kde α je Tepelná difuzivitaTepelná difuzivita (a s jednotkou mm2/s) je specifická vlastnost materiálu, která charakterizuje nestacionární vedení tepla. Tato hodnota popisuje, jak rychle materiál reaguje na změnu teploty.tepelná difuzivita ve směru napříč rovinou vzorku:
U monokrystalického diamantu s hodnotou α kolem 1000 mm²/s se doporučuje, aby tloušťka vzorku nebyla menší než 0,95 mm, aby byla zajištěna dostatečná přesnost měření. Ačkoli jsou vzorky s tloušťkou mírně nižší než tato hodnota použitelné, kvalita signálu se zhorší, například se sníží poměr signálu k šumu.
Pokud je tloušťka vzorku výrazně menší než tato doporučená tloušťka, jak by se měla měřit tepelná difuzivita?
V takových případech lze vzorek testovat pomocí držáku v rovině (obrázek 1), který vytváří delší dráhu tepelné difúze uvnitř vzorku, aby bylo možné namísto toho měřit směr v rovině.
Tabulka 1 shrnuje výsledky tepelné difuzivity v rovině získané pro diamantový vzorek o tloušťce 0,638 mm s použitím držáku vzorku v rovině. Měření byla prováděna při pokojové teplotě. Byla stanovena průměrná Tepelná difuzivitaTepelná difuzivita (a s jednotkou mm2/s) je specifická vlastnost materiálu, která charakterizuje nestacionární vedení tepla. Tato hodnota popisuje, jak rychle materiál reaguje na změnu teploty.tepelná difuzivita v rovině 1126,6 mm²/s se směrodatnou odchylkou 8,6 mm²/s. Malé rozptýlení jednotlivých měření dokládá vynikající opakovatelnost měření. Naměřená hodnota v rovině je v souladu s rozsahem difuzivity pozorovaným u srovnatelných vzorků diamantu analyzovaných ve směru napříč rovinou v aplikační poznámce 438. Tato shoda potvrzuje, že uspořádání LFA v rovině je vhodné pro charakterizaci materiálů s velmi vysokou tepelnou difuzivitou.
Odpovídající křivka nárůstu teploty je znázorněna na obrázku 2. Naměřený signál vykazuje prudký nárůst bezprostředně po světelném impulsu, na který navazuje postupný pokles. Velmi dobrá shoda mezi experimentální křivkou a křivkou odvozenou z modelu naznačuje, že zvolený model tepelného toku v rovině přesně vystihuje tepelnou odezvu diamantového vzorku. Stabilní kvalita aproximace a nízká nejistota měření potvrzují spolehlivost získané hodnoty difuzivity v rovině.
Závěr
Výsledky jasně dokazují, že metoda LFA je vhodná pro zkoumání vysoce vodivých materiálů ve směru v rovině. I u diamantu, který vykazuje velmi rychlé šíření tepla, poskytlo měření ve směru v rovině vysoce reprodukovatelné a spolehlivé výsledky.
Průměrná Tepelná difuzivitaTepelná difuzivita (a s jednotkou mm2/s) je specifická vlastnost materiálu, která charakterizuje nestacionární vedení tepla. Tato hodnota popisuje, jak rychle materiál reaguje na změnu teploty.tepelná difuzivita v rovině vzorku ve výši 1126,6 mm²/s v kombinaci s relativní standardní odchylkou přibližně 0,76 % potvrzuje stabilitu tohoto měřicího přístupu. Vynikající shoda mezi naměřenou křivkou nárůstu teploty a přizpůsobeným modelem dále podporuje platnost použitého hodnocení v rovině vzorku.
Analýza LFA v rovině proto představuje cennou metodu pro stanovení směrových vlastností tepelného přenosu, zejména u tenkých a vysoce vodivých materiálů. S vhodným držákem vzorku, vhodnými měřicími parametry a specializovaným modelem pro vyhodnocení v rovině lze získat spolehlivé údaje o tepelné difuzivitě v rovině.
Tyto spolehlivé hodnoty podporují výběr materiálu, tepelný návrh a přesnost simulace, čímž pomáhají omezit lokální přehřívání a zlepšit výkon i životnost součástek.