Johdanto
Tehokas lämmönpoisto on ratkaisevan tärkeää korkean suorituskyvyn elektroniikassa ja optoelektroniikassa, joissa hyvin ahtaissa tiloissa syntyy suuria lämpökuormia.
Timantti sopii erityisen hyvin tällaisiin sovelluksiin, sillä se yhdistää äärimmäisen kovuuden ja luonnossa esiintyvistä materiaaleista korkeimman lämmönjohtavuuden, joka ylittää 2000 W/(m·K) huoneenlämpötilassa. Sen alhainen lämpölaajeneminen ja sähköeristyskyky tukevat entisestään sen käyttöä vaativissa jäähdytysratkaisuissa.
Timantin lämmönjohtavuuden tarkka mittaaminen on kuitenkin edelleen haastavaa sen poikkeuksellisen lämmönsiirtokyvyn ja optisen läpinäkyvyyden vuoksi, minkä vuoksi menetelmän, laitteen ja menettelytavan valinta on ratkaisevan tärkeää.
Edistyksellinen tasotestaus
Kun testataan timantin lämmönjohtavuutta tasosuuntaan, näytteelle asetetaan tyypillisesti tiettyjä paksuusvaatimuksia [1].
Kun näyte on hyvin ohut, lämmönsiirto tapahtuu erittäin lyhyessä ajassa. Tämän vuoksi korkea ajallinen erottelukyky on erityisen tärkeää laadukkaan ilmaisinsignaalin saamiseksi. Vaikka jopa 10 µs:n pituiset pulssit parantavat signaalin tallennusta, kapea mittausikkuna voi lisätä signaalien erottelun ja käyrän sovituksen monimutkaisuutta. Kun nämä tekijät otetaan asianmukaisesti huomioon, luotettavat laskelmat ovat silti mahdollisia.
Otetaan esimerkkinä NETZSCH LFA 717 HyperFlash® : detektorin tiedonkeruutaajuus on 2 MHz, mikä tuottaa 0,5 μs:n aikavälin vierekkäisten datapisteiden välillä. ASTM E1461 -standardin mukaan yleensä vaaditaan vähintään 100 datapistettä, jotka on tallennettava puoliintumisaikaan (t₁/₂) asti. Kuitenkin läpinäkyvien, erittäin korkean lämmönjohtavuuden omaavien timanttinäytteiden osalta suositellaan 250 datapistettä, mikä johtaa vähintään 0,125 ms:n puoliintumisaikaan (t₁/₂). Tällöin testattavan näytteen vähimmäispaksuus (dₘᵢₙ) voidaan arvioida karkeasti Parkerin kaavan avulla, jossa α on lämmönleviämiskerroin näytteen tasosuunnassa:
Yksikiteisen timantin, jonka α-arvo on noin 1000 mm²/s, osalta suositellaan, että näytteen paksuus on vähintään 0,95 mm riittävän testitarkkuuden varmistamiseksi. Vaikka hieman tätä arvoa ohuemmat näytteet ovatkin käyttökelpoisia, signaalin laatu heikkenee, esimerkiksi signaali-kohinasuhde pienenee.
Jos näytteen paksuus on huomattavasti pienempi kuin tämä suositeltu paksuus, miten lämpöjohtavuus tulisi testata?
Tällaisissa tapauksissa näyte voidaan testata tasosuuntaisella pidikkeellä (kuva 1), joka luo näytteen sisällä pidemmän lämmönleviämisreitin, jolloin voidaan mitata lämmönleviämistä tasosuuntaan.
Taulukossa 1 on esitetty yhteenveto tasosuuntaisen lämmönjohtavuuden tuloksista, jotka saatiin 0,638 mm paksuisesta timanttinäytteestä käyttämällä tasosuuntaista näytteenpidintä. Mittaukset suoritettiin huoneenlämpötilassa. Tason sisäisen lämmönleviämiskyvyn keskiarvoksi määritettiin 1126,6 mm²/s ja keskihajonnaksi 8,6 mm²/s. Yksittäisten mittausten vähäinen hajonta osoittaa mittauksen erinomaisen toistettavuuden. Mitattu tasosuuntainen arvo on yhdenmukainen sen diffuusiokerroinvälin kanssa, joka on havaittu vastaaville timanttinäytteille, joita on analysoitu tasosuuntaan nähden poikittaissuunnassa sovellusohjeessa 438. Tämä yhdenmukaisuus vahvistaa, että tasosuuntainen LFA-mittausjärjestely soveltuu erittäin korkean lämpödiffuusiokertoimen omaavien materiaalien karakterisointiin.
Vastaava lämpötilan nousukäyrä on esitetty kuvassa 2. Mitatussa signaalissa näkyy jyrkkä nousu välittömästi valopulssin jälkeen, jota seuraa asteittainen lasku. Kokeellisen käyrän ja sovitetun mallikäyrän erittäin hyvä yhdenmukaisuus osoittaa, että valittu tasossa tapahtuvaa lämmönvirtausta kuvaava malli kuvaa tarkasti timanttinäytteen lämpövastetta. Vakaa sovituksen laatu ja pieni mittausepävarmuus tukevat saadun tasossa tapahtuvan diffuusiokertoimen luotettavuutta.
Johtopäätös
Tulokset osoittavat selvästi, että LFA-menetelmä soveltuu erittäin johtavien materiaalien tutkimiseen tasosuunnassa. Jopa timantin kohdalla, jossa lämmön eteneminen on erittäin nopeaa, tasosuuntaiset mittaukset tuottivat erittäin toistettavia ja luotettavia tuloksia.
Tasosuuntaisen lämmönleviämiskertoimen keskiarvo 1126,6 mm²/s yhdistettynä noin 0,76 %:n suhteelliseen standardipoikkeamaan vahvistaa mittausmenetelmän vakauden. Mitatun lämpötilan nousukäyrän ja sovitetun mallin välinen erinomainen yhdenmukaisuus tukee entisestään sovelletun tasosuuntaisen arvioinnin pätevyyttä.
Siksi tasosuuntainen LFA-analyysi on arvokas menetelmä suunnattujen lämmönsiirto-ominaisuuksien määrittämiseksi, erityisesti ohuiden ja erittäin johtavien materiaalien osalta. Sopivalla näytteenpitimellä, asianmukaisilla mittausparametreilla ja erityisellä tasosuuntaisella arviointimallilla voidaan saada luotettavia tasosuuntaisia lämmönleviämiskertoimia koskevia tietoja.
Nämä luotettavat arvot tukevat materiaalin valintaa, lämpösuunnittelua ja simuloinnin tarkkuutta, mikä auttaa vähentämään paikallista ylikuumenemista sekä parantamaan komponenttien suorituskykyä ja käyttöikää.