Εισαγωγή
Η αποτελεσματική απαγωγή θερμότητας είναι ζωτικής σημασίας στα ηλεκτρονικά και οπτοηλεκτρονικά συστήματα υψηλής απόδοσης, όπου παρατηρούνται υψηλά θερμικά φορτία σε πολύ περιορισμένους χώρους.
Ο διαμάντης είναι ιδιαίτερα κατάλληλος για τέτοιες εφαρμογές, καθώς συνδυάζει εξαιρετική σκληρότητα με την υψηλότερη θερμική αγωγιμότητα από οποιοδήποτε φυσικό υλικό, η οποία υπερβαίνει τα 2000 W/(m·K) σε θερμοκρασία δωματίου. Η χαμηλή θερμική διαστολή και η ηλεκτρική μόνωσή του ενισχύουν περαιτέρω τη χρήση του σε απαιτητικές εφαρμογές ψύξης.
Ωστόσο, η ακριβής μέτρηση της θερμικής αγωγιμότητας του διαμαντιού παραμένει μια πρόκληση λόγω της εξαιρετικής ικανότητάς του στη μεταφορά θερμότητας και της οπτικής διαφάνειάς του, γεγονός που καθιστά κρίσιμη την επιλογή της μεθόδου, του οργάνου και της διαδικασίας.
Προηγμένες δοκιμές εντός επιπέδου
Κατά τη μέτρηση της θερμικής διαχυτότητας του διαμαντιού κατά τη διεύθυνση του επιπέδου, συνήθως επιβάλλονται συγκεκριμένες απαιτήσεις πάχους στο δείγμα [1].
Όταν το δείγμα είναι πολύ λεπτό, η μεταφορά θερμότητας πραγματοποιείται σε εξαιρετικά σύντομο χρονικό διάστημα. Αυτό καθιστά την υψηλή χρονική ανάλυση ιδιαίτερα σημαντική για την απόκτηση σήματος ανιχνευτή υψηλής ποιότητας. Αν και οι διάρκειες παλμών τόσο μικρές όσο τα 10 µs συμβάλλουν στη βελτίωση της καταγραφής του σήματος, το στενό παράθυρο μέτρησης μπορεί να αυξήσει την πολυπλοκότητα του διαχωρισμού του σήματος και της προσαρμογής της καμπύλης. Λαμβάνοντας κατάλληλα υπόψη αυτούς τους παράγοντες, μπορούν ακόμα να επιτευχθούν αξιόπιστοι υπολογισμοί.
Με το σύστημα μέτρησης θερμικής αγωγιμότητας NETZSCH LFA 717 HyperFlash® ως παράδειγμα, η συχνότητα λήψης δεδομένων του ανιχνευτή είναι 2 MHz, γεγονός που οδηγεί σε χρονικό διάστημα 0,5 μs μεταξύ γειτονικών σημείων δεδομένων. Σύμφωνα με το πρότυπο ASTM E1461, απαιτείται γενικά η καταγραφή τουλάχιστον 100 σημείων δεδομένων έως τον χρόνο ημιζωής (t₁/₂). Ωστόσο, για διαφανή δείγματα διαμαντιού που διαθέτουν εξαιρετικά υψηλή θερμική αγωγιμότητα, συνιστώνται 250 σημεία δεδομένων, με αποτέλεσμα ένα ελάχιστο χρόνο ημιζωής (t₁/₂) 0,125 ms. Το ελάχιστο πάχος δείγματος που μπορεί να υποβληθεί σε δοκιμή (dₘᵢₙ) μπορεί στη συνέχεια να υπολογιστεί κατά προσέγγιση χρησιμοποιώντας τον τύπο του Parker, όπου α είναι η θερμική διαχυτότητα κατά τη διεύθυνση του επιπέδου του δείγματος:
Για μονοκρυσταλλικό διαμάντι με α περίπου 1000 mm²/s, συνιστάται το πάχος του δείγματος να μην είναι μικρότερο από 0,95 mm, προκειμένου να διασφαλιστεί επαρκής ακρίβεια στη δοκιμή. Αν και είναι εφικτή η χρήση δειγμάτων με πάχος ελαφρώς μικρότερο από αυτή την τιμή, η ποιότητα του σήματος θα επιδεινωθεί· για παράδειγμα, η αναλογία σήματος προς θόρυβο θα μειωθεί.
Εάν το πάχος του δείγματος είναι σημαντικά μικρότερο από αυτό το συνιστώμενο πάχος, πώς πρέπει να ελεγχθεί η θερμική διαχυτότητα;
Σε τέτοιες περιπτώσεις, το δείγμα μπορεί να εξεταστεί χρησιμοποιώντας έναν συγκρατητήρα εντός του επιπέδου (Εικόνα 1), ο οποίος δημιουργεί μια μακρύτερη διαδρομή θερμικής διάχυσης εντός του δείγματος, ώστε να μετρηθεί η κατεύθυνση εντός του επιπέδου.
Ο Πίνακας 1 συνοψίζει τα αποτελέσματα της θερμικής διαχυτότητας εντός του επιπέδου που ελήφθησαν για ένα δείγμα διαμαντιού πάχους 0,638 mm χρησιμοποιώντας έναν συγκρατητήρα δείγματος εντός του επιπέδου. Οι μετρήσεις πραγματοποιήθηκαν σε θερμοκρασία δωματίου. Προσδιορίστηκε μέση θερμική διαχυτότητα εντός του επιπέδου 1126,6 mm²/s με τυπική απόκλιση 8,6 mm²/s. Η χαμηλή διασπορά των επιμέρους μετρήσεων καταδεικνύει την εξαιρετική επαναληψιμότητα της μέτρησης. Η μετρηθείσα τιμή εντός του επιπέδου συνάδει με το εύρος θερμικής διαχυτότητας που παρατηρήθηκε για συγκρίσιμα δείγματα διαμαντιού τα οποία αναλύθηκαν κατά τη διεύθυνση διαμέσου του επιπέδου στη Σημείωση Εφαρμογής 438. Αυτή η συμφωνία επιβεβαιώνει ότι η διάταξη LFA εντός του επιπέδου είναι κατάλληλη για τον χαρακτηρισμό υλικών με πολύ υψηλή θερμική διαχυτότητα.
Η αντίστοιχη καμπύλη αύξησης της θερμοκρασίας παρουσιάζεται στο Σχήμα 2. Το μετρηθέν σήμα παρουσιάζει απότομη αύξηση αμέσως μετά την παλμική ακτινοβολία, ακολουθούμενη από σταδιακή πτώση. Η πολύ καλή συμφωνία μεταξύ της πειραματικής καμπύλης και της καμπύλης του προσαρμοσμένου μοντέλου υποδηλώνει ότι το επιλεγμένο μοντέλο ροής θερμότητας εντός του επιπέδου αναπαριστά με ακρίβεια τη θερμική απόκριση του δείγματος διαμαντιού. Η σταθερή ποιότητα της προσαρμογής και η χαμηλή αβεβαιότητα μέτρησης υποστηρίζουν την αξιοπιστία της τιμής της θερμικής διαπερατότητας εντός του επιπέδου που προέκυψε.
Συμπέρασμα
Τα αποτελέσματα καταδεικνύουν σαφώς ότι η μέθοδος LFA είναι κατάλληλη για τη μελέτη υλικών υψηλής θερμικής αγωγιμότητας κατά τη διεύθυνση του επιπέδου. Ακόμη και για το διαμάντι, το οποίο παρουσιάζει πολύ ταχεία διάδοση της θερμότητας, η μέτρηση κατά τη διεύθυνση του επιπέδου παρείχε αποτελέσματα υψηλής αναπαραγωγιμότητας και αξιοπιστίας.
Η μέση θερμική διαχυτότητα εντός του επιπέδου, ύψους 1126,6 mm²/s, σε συνδυασμό με μια σχετική τυπική απόκλιση περίπου 0,76 %, επιβεβαιώνει τη σταθερότητα της μεθόδου μέτρησης. Η εξαιρετική συμφωνία μεταξύ της καμπύλης αύξησης της θερμοκρασίας που μετρήθηκε και του μοντέλου προσαρμογής ενισχύει περαιτέρω την εγκυρότητα της εφαρμοζόμενης αξιολόγησης εντός του επιπέδου.
Επομένως, η ανάλυση LFA εντός του επιπέδου αποτελεί μια πολύτιμη μέθοδο για τον προσδιορισμό των κατευθυντικών ιδιοτήτων θερμικής μεταφοράς, ιδιαίτερα για λεπτά και υψηλής αγωγιμότητας υλικά. Με έναν κατάλληλο συγκρατητήρα δείγματος, κατάλληλες παραμέτρους μέτρησης και ένα ειδικό μοντέλο αξιολόγησης εντός του επιπέδου, μπορούν να ληφθούν αξιόπιστα δεδομένα θερμικής διαχυτότητας εντός του επιπέδου.
Αυτές οι αξιόπιστες τιμές υποστηρίζουν την επιλογή υλικών, τον θερμικό σχεδιασμό και την ακρίβεια της προσομοίωσης, συμβάλλοντας στη μείωση της τοπικής υπερθέρμανσης και στη βελτίωση της απόδοσης και της διάρκειας ζωής των εξαρτημάτων.