Introduction
Seuls les systèmes flash dotés d'une sensibilité élevée, d'une largeur d'impulsion appropriée et d'une évaluation avancée des données peuvent mesurer avec précision les matériaux minces et hautement conducteurs. Le plus grand défi lors de la mesure de ces matériaux est le temps de mesure extrêmement court. Cela nécessite à la fois un taux d'acquisition de données élevé et une largeur d'impulsion très faible.
Le cuivre en est un parfait exemple. D'une épaisseur de 0,3 mm à plusieurs millimètres, il est souvent utilisé comme répartiteur de chaleur, couche de substrat ou plaque de refroidissement structurée, lorsqu'une répartition latérale de la chaleur et une intégration mécanique fiable sont nécessaires. Les applications typiques se trouvent dans l'électronique de puissance, la technologie des batteries et les assemblages soumis à des contraintes thermiques élevées, où une conception compacte et une dissipation efficace de la chaleur sont cruciales.
Méthode et mesures Conditions
Le LFA 707 StratoFlash®Classic est équipé d'un laser qui atteint une densité d'énergie élevée, ce qui est particulièrement nécessaire à des températures élevées. Cependant, lors de la mesure de matériaux minces, un faible apport d'énergie est essentiel pour éviter les dommages et la surchauffe.
Grâce à sa largeur d'impulsion et à sa tension réglables, le LFA 707 StratoFlash®Classic peut adapter l'apport d'énergie aux exigences de la mesure. Le détecteur est doté d'un taux d'acquisition de données de 2 MHz, ce qui garantit un nombre suffisant de points de données, même pour les temps de mesure les plus courts.
Les conditions de mesure sont détaillées dans le tableau 1.
Tableau 1 : Conditions de mesure
| Matériau | Cuivre pur |
| Épaisseur | 0.32 mm à 4 mm |
| Porte-échantillon | Ø 12,7 mm |
| Température d'utilisation | Température ambiante |
| Largeur d'impulsion | 100 à 600 μs |
| Modèle | Modèle standard, basé sur Cape Lehmann avec correction d'impulsion |
Résultats des mesures et discussion
La figure 1 illustre la Diffusivité thermiqueLa diffusivité thermique (a avec l'unité mm2/s) est une propriété propre au matériau qui permet de caractériser la conduction thermique instable. Cette valeur décrit la rapidité avec laquelle un matériau réagit à un changement de température.diffusivité thermique du cuivre pour différentes épaisseurs, allant de 0,32 mm à 4 mm. Tous les résultats se situent dans une fourchette de ±2,5 % par rapport à la valeur bibliographique d'environ 117 mm²/s à température ambiante [1].
La longueur d'impulsion a été ajustée en fonction de l'épaisseur et du temps de mesure, allant de 100 μs à 600 μs. Le demi-temps (t1/2) a varié sur deux ordres de grandeur, d'environ 210 μs pour l'échantillon de 0,32 mm à 24 ms pour l'échantillon le plus épais de 4 mm.
La figure 2 montre les signaux pour les échantillons d'épaisseur minimale et maximale. Le rapport signal/bruit des deux mesures n'est pas idéal. Cela s'explique par la faible consommation d'énergie utilisée pour éviter la surchauffe et par le fait que les mesures ont été effectuées à température ambiante. Néanmoins, le modèle mathématique s'adapte parfaitement aux données, ce qui est essentiel pour obtenir des résultats très précis. Dans l'analyse du flash laser, les modèles mathématiques utilisés pour déterminer la Diffusivité thermiqueLa diffusivité thermique (a avec l'unité mm2/s) est une propriété propre au matériau qui permet de caractériser la conduction thermique instable. Cette valeur décrit la rapidité avec laquelle un matériau réagit à un changement de température.diffusivité thermique sont basés sur la solution analytique de l'équation de conduction de la chaleur, en supposant un apport d'énergie instantané (impulsion de Dirac). En réalité, l'impulsion laser a toujours une durée finie. Pour les échantillons dont le temps de mesure est relativement long, la durée de l'impulsion est généralement beaucoup plus courte que le temps de mesure caractéristique, ce qui rend négligeables les écarts par rapport à l'hypothèse idéale (figure 2 : cuivre de 4 mm).
Pour les matériaux hautement conducteurs tels que le cuivre, en particulier lors de la mesure d'échantillons minces, la réponse thermique se produit en un temps très court. Dans ce cas, la durée de l'impulsion est du même ordre de grandeur que le temps de diffusion caractéristique de l'échantillon (figure 2 : cuivre de 0,32 mm). Il en résulte un chevauchement entre la phase de chauffage et la réponse thermique de l'échantillon, ce qui peut fausser la courbe de température et, par conséquent, la Diffusivité thermiqueLa diffusivité thermique (a avec l'unité mm2/s) est une propriété propre au matériau qui permet de caractériser la conduction thermique instable. Cette valeur décrit la rapidité avec laquelle un matériau réagit à un changement de température.diffusivité thermique calculée.
Correction d'impulsion
Pour tenir compte de cet effet, le logiciel d'analyse NETZSCH LFA Proteus® applique automatiquement la correction de l'impulsion exponentielle [2]. Au lieu de supposer un apport d'énergie instantané, le signal réel de l'impulsion laser est pris en compte lors de l'évaluation. Pour ce faire, le signal de l'impulsion est incorporé par convolution, ce qui permet de prendre en compte l'apport de chaleur en fonction du temps dans le calcul de la réponse à la température. De cette manière, la Diffusivité thermiqueLa diffusivité thermique (a avec l'unité mm2/s) est une propriété propre au matériau qui permet de caractériser la conduction thermique instable. Cette valeur décrit la rapidité avec laquelle un matériau réagit à un changement de température.diffusivité thermique évaluée reflète les conditions expérimentales réelles plutôt qu'une impulsion instantanée idéalisée.
En tenant compte de la forme réelle de l'impulsion pendant l'évaluation, la correction de l'impulsion améliore considérablement la précision de la détermination de la Diffusivité thermiqueLa diffusivité thermique (a avec l'unité mm2/s) est une propriété propre au matériau qui permet de caractériser la conduction thermique instable. Cette valeur décrit la rapidité avec laquelle un matériau réagit à un changement de température.diffusivité thermique pour les échantillons minces et hautement conducteurs. Cela devient de plus en plus important à mesure que l'épaisseur de l'échantillon diminue et que la Diffusivité thermiqueLa diffusivité thermique (a avec l'unité mm2/s) est une propriété propre au matériau qui permet de caractériser la conduction thermique instable. Cette valeur décrit la rapidité avec laquelle un matériau réagit à un changement de température.diffusivité thermique augmente.
Pour des temps de mesure extrêmement courts et donc des t1/2 extrêmement courts, une correction d'impulsion robuste et précise est la caractéristique d'analyse la plus importante. Ceci est démontré dans la figure 3. Comme dans la figure 1, les points bleus représentent la Diffusivité thermiqueLa diffusivité thermique (a avec l'unité mm2/s) est une propriété propre au matériau qui permet de caractériser la conduction thermique instable. Cette valeur décrit la rapidité avec laquelle un matériau réagit à un changement de température.diffusivité thermique du cuivre avec différentes épaisseurs. Dans ce cas, la correction d'impulsion a été utilisée pour l'évaluation. Les triangles orange représentent les mêmes mesures, mais l'évaluation a été effectuée sans correction d'impulsion. La diminution de l'épaisseur de l'échantillon - qui se traduit par des temps de mesure plus courts - entraîne une augmentation des erreurs dues au chevauchement des impulsions.
Conclusion
Les résultats démontrent que même les échantillons de cuivre minces et hautement conducteurs avec des temps de réponse thermique extrêmement courts peuvent être mesurés avec précision à l'aide du LFA 707 StratoFlash®Classic . La combinaison de la commande d'impulsion réglable, de l'acquisition de données à grande vitesse et de la correction d'impulsion avancée garantit des résultats de Diffusivité thermiqueLa diffusivité thermique (a avec l'unité mm2/s) est une propriété propre au matériau qui permet de caractériser la conduction thermique instable. Cette valeur décrit la rapidité avec laquelle un matériau réagit à un changement de température.diffusivité thermique fiables, même dans des conditions de mesure exigeantes. Cela fait du LFA 707 StratoFlash®Classic une solution puissante pour la caractérisation des matériaux à très haute Diffusivité thermiqueLa diffusivité thermique (a avec l'unité mm2/s) est une propriété propre au matériau qui permet de caractériser la conduction thermique instable. Cette valeur décrit la rapidité avec laquelle un matériau réagit à un changement de température.diffusivité thermique