Indledning
Effektiv varmeafledning er afgørende inden for højtydende elektronik og optoelektronik, hvor der opstår store termiske belastninger på meget begrænset plads.
Diamant er særligt velegnet til sådanne anvendelser, da det kombinerer ekstrem hårdhed med den højeste Termisk ledningsevneVarmeledningsevne (λ med enheden W/(m-K)) beskriver transporten af energi - i form af varme - gennem et masselegeme som følge af en temperaturgradient (se fig. 1). Ifølge termodynamikkens anden lov strømmer varmen altid i retning af den laveste temperatur.varmeledningsevne blandt alle naturligt forekommende materialer, nemlig over 2000 W/(m·K) ved stuetemperatur. Dets lave termiske udvidelse og elektriske isolering understøtter yderligere brugen heraf i krævende kølekoncepter.
Nøjagtig måling af diamants Termisk ledningsevneVarmeledningsevne (λ med enheden W/(m-K)) beskriver transporten af energi - i form af varme - gennem et masselegeme som følge af en temperaturgradient (se fig. 1). Ifølge termodynamikkens anden lov strømmer varmen altid i retning af den laveste temperatur.varmeledningsevne er dog stadig en udfordring på grund af dets enestående Termisk ledningsevneVarmeledningsevne (λ med enheden W/(m-K)) beskriver transporten af energi - i form af varme - gennem et masselegeme som følge af en temperaturgradient (se fig. 1). Ifølge termodynamikkens anden lov strømmer varmen altid i retning af den laveste temperatur.varmeledningsevne og optiske gennemsigtighed, hvilket gør valget af metode, instrument og fremgangsmåde afgørende.
Avanceret testning i planet
Når man tester diamants termiske diffusivitet i retningen på tværs af planet, stilles der typisk specifikke krav til prøvens tykkelse [1].
Når prøven er meget tynd, foregår varmeoverførslen på ekstremt kort tid. Dette gør en høj tidsopløsning særligt vigtig for at opnå et detektorsignal af høj kvalitet. Selvom pulsvarigheder på ned til 10 µs muliggør forbedret signalregistrering, kan det snævre målevindue øge kompleksiteten ved signaladskillelse og kurvetilpasning. Med passende hensyntagen til disse faktorer kan der stadig opnås pålidelige beregninger.
Med NETZSCH LFA 717 HyperFlash® som eksempel er detektorens dataindsamlingsfrekvens 2 MHz, hvilket giver et tidsinterval på 0,5 μs mellem tilstødende datapunkter. I henhold til ASTM E1461 kræves der generelt, at mindst 100 datapunkter registreres frem til halvtid (t₁/₂). For gennemsigtige diamantprøver med ultrahøj Termisk ledningsevneVarmeledningsevne (λ med enheden W/(m-K)) beskriver transporten af energi - i form af varme - gennem et masselegeme som følge af en temperaturgradient (se fig. 1). Ifølge termodynamikkens anden lov strømmer varmen altid i retning af den laveste temperatur.varmeledningsevne anbefales der imidlertid 250 datapunkter, hvilket resulterer i en minimumshalveringstid (t₁/₂) på 0,125 ms. Den mindste testbare prøvetykkelse (dₘᵢₙ) kan derefter groft estimeres ved hjælp af Parkers formel, hvor α er den termiske diffusivitet i prøvens gennemgående retning:
For monokrystallinsk diamant med en α på ca. 1000 mm²/s anbefales det, at prøvens tykkelse ikke er mindre end 0,95 mm for at sikre tilstrækkelig målenøjagtighed. Selvom prøver med en tykkelse, der ligger lidt under denne værdi, kan anvendes, vil signalkvaliteten forringes; for eksempel vil signal-støj-forholdet falde.
Hvis prøvens tykkelse er væsentligt mindre end denne anbefalede tykkelse, hvordan skal termisk diffusivitet så testes?
I sådanne tilfælde kan prøven testes ved hjælp af en holder i plan (figur 1), som skaber en længere varmediffusionsvej inden i prøven, således at målingen i stedet foretages i retningen i plan.
Tabel 1 opsummerer resultaterne for Termisk diffusivitetTermisk diffusivitet (a med enheden mm2/s) er en materialespecifik egenskab til karakterisering af ustabil varmeledning. Denne værdi beskriver, hvor hurtigt et materiale reagerer på en temperaturændring.termisk diffusivitet i planet, der blev opnået for en 0,638 mm tyk diamantprøve ved brug af en prøveholder i planet. Målingerne blev udført ved stuetemperatur. Der blev bestemt en gennemsnitlig Termisk diffusivitetTermisk diffusivitet (a med enheden mm2/s) er en materialespecifik egenskab til karakterisering af ustabil varmeledning. Denne værdi beskriver, hvor hurtigt et materiale reagerer på en temperaturændring.termisk diffusivitet i planretningen på 1126,6 mm²/s med en standardafvigelse på 8,6 mm²/s. Den lave spredning mellem de enkelte målinger vidner om målingens fremragende repeterbarhed. Den målte værdi i planet stemmer overens med det diffusivitetsinterval, der blev observeret for sammenlignelige diamantprøver, der blev analyseret i retningen på tværs af planet i Application Note 438. Denne overensstemmelse bekræfter, at LFA-opsætningen i planet er velegnet til karakterisering af materialer med meget høj Termisk diffusivitetTermisk diffusivitet (a med enheden mm2/s) er en materialespecifik egenskab til karakterisering af ustabil varmeledning. Denne værdi beskriver, hvor hurtigt et materiale reagerer på en temperaturændring.termisk diffusivitet.
Den tilhørende temperaturstigningskurve er vist i figur 2. Det målte signal udviser en kraftig stigning umiddelbart efter lysimpulsen, efterfulgt af et gradvist fald. Den meget gode overensstemmelse mellem den eksperimentelle kurve og den tilpassede modelkurve tyder på, at den valgte varmestrømsmodel i planet nøjagtigt afspejler diamantprøvens termiske respons. Den stabile tilpasningskvalitet og den lave måleusikkerhed underbygger pålideligheden af den opnåede værdi for diffusiviteten i planet.
Konklusion
Resultaterne viser tydeligt, at LFA-metoden er velegnet til undersøgelse af materialer med høj Termisk ledningsevneVarmeledningsevne (λ med enheden W/(m-K)) beskriver transporten af energi - i form af varme - gennem et masselegeme som følge af en temperaturgradient (se fig. 1). Ifølge termodynamikkens anden lov strømmer varmen altid i retning af den laveste temperatur.varmeledningsevne i retningen på plan. Selv for diamant, der udviser en meget hurtig varmeudbredelse, leverede målingen på plan meget reproducerbare og pålidelige resultater.
Den gennemsnitlige termiske diffusivitet i planet på 1126,6 mm²/s, kombineret med en relativ standardafvigelse på ca. 0,76 %, bekræfter målemetodens stabilitet. Den fremragende overensstemmelse mellem den målte temperaturstigningskurve og den tilpassede model underbygger yderligere gyldigheden af den anvendte evaluering i planet.
Derfor udgør LFA-analyse i planretningen en værdifuld metode til bestemmelse af retningsbestemte termiske transportegenskaber, især for tynde og meget ledende materialer. Med en passende prøveholder, egnede måleparametre og en dedikeret evalueringsmodel i planretningen kan der opnås pålidelige data for Termisk diffusivitetTermisk diffusivitet (a med enheden mm2/s) er en materialespecifik egenskab til karakterisering af ustabil varmeledning. Denne værdi beskriver, hvor hurtigt et materiale reagerer på en temperaturændring.termisk diffusivitet i planretningen.
Disse pålidelige værdier understøtter materialevalg, termisk design og simuleringsnøjagtighed, hvilket bidrager til at reducere lokal overophedning og forbedre komponenternes ydeevne og levetid.