Introducción
Sólo los sistemas de flash con una alta sensibilidad, una anchura de pulso adecuada y una evaluación de datos avanzada pueden medir con precisión materiales finos y altamente conductores. El mayor reto a la hora de medir este tipo de materiales es el tiempo de medición extremadamente corto. Esto requiere tanto una alta velocidad de adquisición de datos como una anchura de pulso muy baja.
El cobre es un ejemplo perfecto. Con un grosor de 0,3 mm a varios milímetros, se utiliza a menudo como disipador térmico, capa de sustrato o como placa de refrigeración estructurada, donde se requiere tanto una distribución lateral del calor como una integración mecánica fiable. Las aplicaciones típicas se encuentran en la electrónica de potencia, la tecnología de baterías y los ensamblajes sometidos a grandes tensiones térmicas, donde el diseño compacto y la disipación eficaz del calor son cruciales.
Método y condiciones de medición
El LFA 707 StratoFlash®Classic está equipado con un láser que alcanza una alta DensidadLa densidad de masa se define como la relación entre la masa y el volumen. densidad de energía, especialmente necesaria a altas temperaturas. Sin embargo, cuando se miden materiales finos, es esencial un bajo aporte de energía para evitar daños y sobrecalentamientos.
Gracias a su anchura de impulso y tensión ajustables, el LFA 707 StratoFlash®Classic puede adaptar la entrada de energía a los requisitos de medición. El detector dispone de una velocidad de adquisición de datos de 2 MHz, lo que garantiza un número suficiente de puntos de datos incluso en los tiempos de medición más cortos.
Las condiciones de medición se detallan en la tabla 1.
Cuadro 1: Condiciones de medición
| Material | Cobre puro |
| Espesor | 0.32 mm a 4 mm |
| Portamuestras | Ø 12,7 mm |
| Temperatura | Temperatura ambiente |
| Ancho de pulso | 100 a 600 μs |
| Modelo | Modelo estándar, basado en Cape Lehmann con corrección de impulsos |
Resultados de las mediciones y debate
La figura 1 muestra la Difusividad térmicaLa difusividad térmica (a con la unidad mm2/s) es una propiedad específica de los materiales para caracterizar la conducción de calor inestable. Este valor describe la rapidez con la que un material reacciona a un cambio de temperatura.difusividad térmica del cobre de diferentes espesores, desde 0,32 mm hasta 4 mm. Todos los resultados están dentro de un margen de ±2,5 % en comparación con el valor publicado de aproximadamente 117 mm²/s a temperatura ambiente [1].
La longitud del pulso se ajustó en función del espesor y el tiempo de medición, oscilando entre 100 μs y 600 μs. El tiempo medio (t1/2) varió en dos órdenes de magnitudes, desde aproximadamente 210 μs para la muestra de 0,32 mm hasta 24 ms para la muestra más gruesa con 4 mm.
La figura 2 muestra las señales de las muestras de espesor mínimo y máximo. La relación señal/ruido de ambas mediciones no es ideal. Esto se debe al bajo aporte de energía utilizado para evitar el sobrecalentamiento y a que las mediciones se realizan a temperatura ambiente. No obstante, el modelo matemático se ajusta perfectamente a los datos, lo que es fundamental para obtener resultados muy precisos. En el análisis del destello láser, los modelos matemáticos utilizados para determinar la Difusividad térmicaLa difusividad térmica (a con la unidad mm2/s) es una propiedad específica de los materiales para caracterizar la conducción de calor inestable. Este valor describe la rapidez con la que un material reacciona a un cambio de temperatura.difusividad térmica se basan en la solución analítica de la ecuación de conducción del calor, suponiendo un aporte de energía instantáneo (pulso de Dirac). En realidad, sin embargo, el pulso láser siempre tiene una duración finita. En el caso de muestras con un tiempo de medición relativamente largo, la duración del pulso suele ser mucho menor que el tiempo de medición característico, por lo que las desviaciones de la hipótesis ideal son insignificantes (figura 2: cobre de 4 mm).
En el caso de materiales muy conductores, como el cobre, especialmente cuando se miden muestras finas, la respuesta térmica se produce en un tiempo muy breve. En tales casos, la duración del pulso es del mismo orden de magnitud que el tiempo de difusión característico de la muestra (figura 2: cobre de 0,32 mm). Esto provoca un solapamiento entre la fase de calentamiento y la respuesta térmica de la muestra, lo que puede distorsionar la curva de temperatura y, en consecuencia, la Difusividad térmicaLa difusividad térmica (a con la unidad mm2/s) es una propiedad específica de los materiales para caracterizar la conducción de calor inestable. Este valor describe la rapidez con la que un material reacciona a un cambio de temperatura.difusividad térmica calculada.
Corrección de impulsos
Para tener en cuenta este efecto, el software de análisis NETZSCH LFA Proteus® aplica automáticamente la corrección exponencial del pulso [2]. En lugar de suponer una entrada de energía instantánea, durante la evaluación se tiene en cuenta la señal real del pulso láser. Esto se consigue incorporando la señal del pulso mediante convolución, lo que permite tener en cuenta la entrada de calor dependiente del tiempo en el cálculo de la respuesta de temperatura. De este modo, la Difusividad térmicaLa difusividad térmica (a con la unidad mm2/s) es una propiedad específica de los materiales para caracterizar la conducción de calor inestable. Este valor describe la rapidez con la que un material reacciona a un cambio de temperatura.difusividad térmica evaluada refleja las condiciones experimentales reales en lugar de un pulso instantáneo idealizado.
Al considerar la forma real del pulso durante la evaluación, la corrección del pulso mejora significativamente la precisión de la determinación de la Difusividad térmicaLa difusividad térmica (a con la unidad mm2/s) es una propiedad específica de los materiales para caracterizar la conducción de calor inestable. Este valor describe la rapidez con la que un material reacciona a un cambio de temperatura.difusividad térmica para muestras delgadas y altamente conductoras. Esto es cada vez más importante a medida que disminuye el grosor de la muestra y aumenta la Difusividad térmicaLa difusividad térmica (a con la unidad mm2/s) es una propiedad específica de los materiales para caracterizar la conducción de calor inestable. Este valor describe la rapidez con la que un material reacciona a un cambio de temperatura.difusividad térmica.
Para tiempos de medición extremadamente cortos y, por tanto, también t1/2 extremadamente cortos, una corrección de impulsos robusta y precisa es la característica de análisis más importante. Esto se demuestra en la figura 3. Como en la figura 1, los puntos azules representan la Difusividad térmicaLa difusividad térmica (a con la unidad mm2/s) es una propiedad específica de los materiales para caracterizar la conducción de calor inestable. Este valor describe la rapidez con la que un material reacciona a un cambio de temperatura.difusividad térmica del cobre con diferentes espesores. En este caso, se utilizó la corrección de impulsos para la evaluación. Los triángulos naranjas representan las mismas mediciones, pero la evaluación se realizó sin corrección de impulsos. La disminución del grosor de la muestra, que se traduce en tiempos de medición más cortos, provoca un aumento de los errores causados por el solapamiento de los impulsos.
Conclusión
Los resultados demuestran que incluso las muestras de cobre finas y altamente conductoras con tiempos de respuesta térmica extremadamente cortos pueden medirse con precisión utilizando el LFA 707 StratoFlash®Classic . La combinación de control de impulsos ajustable, adquisición de datos a alta velocidad y corrección de impulsos avanzada garantiza resultados fiables de Difusividad térmicaLa difusividad térmica (a con la unidad mm2/s) es una propiedad específica de los materiales para caracterizar la conducción de calor inestable. Este valor describe la rapidez con la que un material reacciona a un cambio de temperatura.difusividad térmica incluso en condiciones de medición exigentes. Esto convierte al LFA 707 StratoFlash®Classic en una potente solución para la caracterización de materiales con muy alta Difusividad térmicaLa difusividad térmica (a con la unidad mm2/s) es una propiedad específica de los materiales para caracterizar la conducción de calor inestable. Este valor describe la rapidez con la que un material reacciona a un cambio de temperatura.difusividad térmica