Johdanto
Vain salamajärjestelmillä, joissa on suuri herkkyys, sopiva pulssin leveys ja kehittynyt tietojen arviointi, voidaan mitata tarkasti ohuita, hyvin johtavia materiaaleja. Suurin haaste tällaisia materiaaleja mitattaessa on erittäin lyhyt mittausaika. Tämä edellyttää sekä suurta tiedonkeruunopeutta että hyvin pientä pulssinleveyttä.
Kupari on tästä täydellinen esimerkki. Kuparia, jonka paksuus on 0,3 mm:stä useisiin millimetreihin, käytetään usein lämmönlevittäjänä, substraattikerroksena tai rakenteellisena jäähdytyslevynä, jossa tarvitaan sekä sivuttaista lämmönjakoa että luotettavaa mekaanista integrointia. Tyypillisiä käyttökohteita ovat tehoelektroniikka, akkuteknologia ja suuren lämpörasituksen alaiset kokoonpanot, joissa kompakti rakenne ja tehokas lämmönsiirto ovat ratkaisevia.
Menetelmä ja mittaukset Olosuhteet
LFA 707 StratoFlash® Classic on varustettu laserilla, jolla saavutetaan suuri energiatiheys, mikä on erityisen tärkeää korkeissa lämpötiloissa. Ohuita materiaaleja mitattaessa on kuitenkin tärkeää, että energian syöttö on pieni, jotta vältytään vaurioilta ja ylikuumenemiselta.
Säädettävän pulssin leveyden ja jännitteen ansiosta LFA 707 StratoFlash® Classic voi mukauttaa syötetyn energian mittausvaatimusten mukaiseksi. Ilmaisimessa on 2 MHz:n tiedonkeruunopeus, joka takaa riittävän määrän datapisteitä lyhyelläkin mittausajalla.
Mittausolosuhteet on esitetty yksityiskohtaisesti taulukossa 1.
Taulukko 1: Mittausolosuhteet
| Materiaali | Puhdas kupari |
| Paksuus | 0.32 mm-4 mm |
| Näytteen pidike | Ø 12,7 mm |
| Lämpötila | Huoneenlämpötila |
| Pulssin leveys | 100-600 μs |
| Malli | Cape Lehmanniin perustuva vakiomalli, jossa on pulssikorjaus |
Mittaustulokset ja keskustelu
Kuvassa 1 on esitetty kuparin lämpödiffuusiokyky eri paksuuksilla, jotka vaihtelevat 0,32 mm:stä 4 mm:iin. Kaikki tulokset ovat ±2,5 prosentin sisällä verrattuna kirjallisuusarvoon, joka on noin 117 mm²/s huoneenlämmössä [1].
Pulssin pituutta säädettiin paksuuden ja mittausajan mukaan, ja se vaihteli 100 μs:stä 600 μs:iin. Puoliintumisaika (t1/2) vaihteli yli kahden suuruusluokan välillä noin 210 μs 0,32 mm:n näytteestä 24 ms:ään paksuimmassa 4 mm:n näytteessä.
Kuvassa 2 esitetään signaalit näytteille, joiden paksuus on pienin ja suurin. Molempien mittausten signaali-kohinasuhde ei ole ihanteellinen. Tämä johtuu siitä, että ylikuumenemisen estämiseksi käytettiin pientä energiansyöttöä ja mittaukset suoritettiin huoneenlämmössä. Matemaattinen malli sopii kuitenkin täydellisesti tietoihin, mikä on ratkaisevan tärkeää erittäin tarkkojen tulosten saavuttamiseksi. Laserleimahdusanalyysissä lämpödiffuusiokyvyn määrittämiseen käytetyt matemaattiset mallit perustuvat lämmönjohtumisyhtälön analyyttiseen ratkaisuun olettaen, että energia syötetään hetkellisesti (Dirac-pulssi). Todellisuudessa laserpulssi on kuitenkin aina rajallinen kestoltaan. Näytteissä, joiden mittausaika on suhteellisen pitkä, pulssin kesto on tyypillisesti paljon lyhyempi kuin tyypillinen mittausaika, jolloin poikkeamat ideaalisesta oletuksesta ovat merkityksettömiä (kuva 2: 4 mm:n kupari).
Hyvin johtavien materiaalien, kuten kuparin, lämpövaste tapahtuu hyvin lyhyessä ajassa, erityisesti kun mitataan ohuita näytteitä. Tällöin pulssin kesto on samaa suuruusluokkaa kuin näytteelle ominainen diffuusioaika (kuva 2: 0,32 mm kupari). Tämä johtaa päällekkäisyyteen lämmitysvaiheen ja näytteen lämpövasteen välillä, mikä voi vääristää lämpötilakäyrää ja siten myös laskettua lämpödiffuusiokykyä.
Pulssin korjaus
Tämän vaikutuksen huomioon ottamiseksi NETZSCH LFA Proteus® -analyysiohjelmisto soveltaa automaattisesti eksponentiaalista pulssikorjausta [2]. Sen sijaan, että oletettaisiin hetkellinen energiansyöttö, arvioinnissa otetaan huomioon laserpulssin todellinen signaali. Tämä saavutetaan sisällyttämällä pulssisignaali konvoluution avulla, jolloin ajasta riippuvainen lämmöntuotto voidaan ottaa huomioon lämpötilavasteen laskennassa. Näin arvioitu lämpödiffuusiokyky heijastaa todellisia koeolosuhteita eikä idealisoitua hetkellistä pulssia.
Kun pulssin todellinen muoto otetaan huomioon arvioinnin aikana, pulssikorjaus parantaa merkittävästi lämpödiffuusiokyvyn määrityksen tarkkuutta ohuiden ja hyvin johtavien näytteiden osalta. Tästä tulee yhä tärkeämpää, kun näytteen paksuus pienenee ja lämpödiffuusiokyky kasvaa.
Erittäin lyhyillä mittausajoilla ja siten myös erittäin lyhyillä t1/2-ajoilla vankka ja tarkka pulssikorjaus on tärkein analysointiominaisuus. Tämä on esitetty kuvassa 3. Kuten kuvassa 1, siniset pisteet kuvaavat kuparin lämpödiffuusiokykyä eri paksuuksilla. Tässä tapauksessa arvioinnissa käytettiin pulssikorjausta. Oranssit kolmiot edustavat samoja mittauksia, mutta arviointi tehtiin ilman pulssikorjausta. Näytteen paksuuden pienentäminen - mikä johtaa lyhyempiin mittausaikoihin - johtaa pulssien päällekkäisyyksien aiheuttamien virheiden lisääntymiseen.
Päätelmä
Tulokset osoittavat, että jopa ohuet, hyvin johtavat kuparinäytteet, joilla on erittäin lyhyet lämpövasteajat, voidaan mitata tarkasti LFA 707 -laitteella StratoFlash® Classic . Säädettävän pulssinohjauksen, nopean tiedonkeruun ja kehittyneen pulssikorjauksen yhdistelmä takaa luotettavat lämpödiffuusiotulokset myös vaativissa mittausolosuhteissa. Tämän ansiosta LFA 707 StratoFlash® Classic on tehokas ratkaisu sellaisten materiaalien karakterisointiin, joilla on erittäin suuri lämpödiffuusiokyky