Introduzione
Solo i sistemi flash caratterizzati da un'elevata sensibilità, un'appropriata larghezza d'impulso e una valutazione avanzata dei dati possono misurare con precisione materiali sottili e altamente conduttivi. La sfida più grande nella misurazione di questi materiali è il tempo di misura estremamente breve. Ciò richiede un'elevata velocità di acquisizione dei dati e una larghezza di impulso molto bassa.
Il rame ne è un esempio perfetto. Con uno spessore che va da 0,3 mm a diversi millimetri, viene spesso utilizzato come diffusore di calore, strato di substrato o come piastra di raffreddamento strutturata, dove sono richieste sia la distribuzione laterale del calore sia un'integrazione meccanica affidabile. Le applicazioni tipiche si trovano nell'elettronica di potenza, nella tecnologia delle batterie e negli assemblaggi sottoposti a forti sollecitazioni termiche, dove il design compatto e l'efficiente dissipazione del calore sono fondamentali.
Metodo e misure Condizioni
L'LFA 707 StratoFlash® Classic è dotato di un laser che raggiunge un'elevata densità di energia, particolarmente necessaria alle alte temperature. Tuttavia, quando si misurano materiali sottili, un basso apporto di energia è essenziale per evitare danni e surriscaldamenti.
Grazie alla larghezza d'impulso e alla tensione regolabili, l'LFA 707 StratoFlash® Classic è in grado di adattare l'energia immessa ai requisiti di misura. Il rilevatore è dotato di una velocità di acquisizione dati di 2 MHz, che garantisce un numero sufficiente di punti dati anche nei tempi di misura più brevi.
Le condizioni di misura sono riportate nella tabella 1.
Tabella 1: Condizioni di misura
| Materiale | Rame puro |
| Spessore | 0.da 32 mm a 4 mm |
| Supporto del campione | Ø 12,7 mm |
| Temperatura di esercizio | Temperatura ambiente |
| Ampiezza dell'impulso | da 100 a 600 μs |
| Modello | Modello standard, basato su Cape Lehmann con correzione dell'impulso |
Risultati delle misure e discussione
La Figura 1 mostra la Diffusività termicaLa diffusività termica (a con unità di misura mm2/s) è una proprietà specifica del materiale per caratterizzare la conduzione termica instabile. Questo valore descrive la velocità con cui un materiale reagisce a una variazione di temperatura.diffusività termica del rame di diversi spessori, da 0,32 mm a 4 mm. Tutti i risultati sono compresi entro ±2,5% rispetto al valore di letteratura di circa 117 mm²/s a temperatura ambiente [1].
La lunghezza dell'impulso è stata regolata in base allo spessore e al tempo di misura, da 100 μs a 600 μs. Il tempo di dimezzamento (t1/2) variava su due ordini di grandezza, da circa 210 μs per il campione di 0,32 mm a 24 ms per il campione più spesso di 4 mm.
La Figura 2 mostra i segnali per i campioni di spessore minimo e massimo. Il rapporto segnale/rumore di entrambe le misure non è ideale. Ciò è dovuto al basso input di energia utilizzato per evitare il surriscaldamento e alle misure eseguite a temperatura ambiente. Tuttavia, il modello matematico si adatta perfettamente ai dati, il che è fondamentale per ottenere risultati altamente precisi. Nell'analisi dei flash laser, i modelli matematici utilizzati per determinare la Diffusività termicaLa diffusività termica (a con unità di misura mm2/s) è una proprietà specifica del materiale per caratterizzare la conduzione termica instabile. Questo valore descrive la velocità con cui un materiale reagisce a una variazione di temperatura.diffusività termica si basano sulla soluzione analitica dell'equazione di conduzione del calore, ipotizzando un input di energia istantaneo (impulso di Dirac). In realtà, però, l'impulso laser ha sempre una durata finita. Per i campioni con un tempo di misura relativamente lungo, la durata dell'impulso è in genere molto più breve del tempo di misura caratteristico, rendendo trascurabili le deviazioni dall'ipotesi ideale (figura 2: rame da 4 mm).
Per i materiali altamente conduttivi come il rame, soprattutto quando si misurano campioni sottili, la risposta termica avviene in tempi molto brevi. In questi casi, la durata dell'impulso è dello stesso ordine di grandezza del tempo di diffusione caratteristico del campione (figura 2: rame da 0,32 mm). Ciò comporta una sovrapposizione tra la fase di riscaldamento e la risposta termica del campione, che può distorcere la curva di temperatura e, di conseguenza, la Diffusività termicaLa diffusività termica (a con unità di misura mm2/s) è una proprietà specifica del materiale per caratterizzare la conduzione termica instabile. Questo valore descrive la velocità con cui un materiale reagisce a una variazione di temperatura.diffusività termica calcolata.
Correzione degli impulsi
Per tenere conto di questo effetto, il software di analisi NETZSCH LFA Proteus® applica automaticamente la correzione esponenziale dell'impulso [2]. Invece di ipotizzare un apporto istantaneo di energia, durante la valutazione viene considerato il segnale reale dell'impulso laser. Ciò si ottiene incorporando il segnale dell'impulso attraverso la convoluzione, consentendo di tenere conto dell'apporto di calore dipendente dal tempo nel calcolo della risposta termica. In questo modo, la Diffusività termicaLa diffusività termica (a con unità di misura mm2/s) è una proprietà specifica del materiale per caratterizzare la conduzione termica instabile. Questo valore descrive la velocità con cui un materiale reagisce a una variazione di temperatura.diffusività termica valutata riflette le condizioni sperimentali reali piuttosto che un impulso istantaneo idealizzato.
Considerando la forma effettiva dell'impulso durante la valutazione, la correzione dell'impulso migliora significativamente l'accuratezza della determinazione della Diffusività termicaLa diffusività termica (a con unità di misura mm2/s) è una proprietà specifica del materiale per caratterizzare la conduzione termica instabile. Questo valore descrive la velocità con cui un materiale reagisce a una variazione di temperatura.diffusività termica per campioni sottili e altamente conduttivi. Ciò diventa sempre più importante quando lo spessore del campione diminuisce e la Diffusività termicaLa diffusività termica (a con unità di misura mm2/s) è una proprietà specifica del materiale per caratterizzare la conduzione termica instabile. Questo valore descrive la velocità con cui un materiale reagisce a una variazione di temperatura.diffusività termica aumenta.
Per tempi di misura estremamente brevi e quindi anche per t1/2 estremamente brevi, una correzione degli impulsi robusta e precisa è la caratteristica di analisi più importante. Ciò è dimostrato nella figura 3. Come nella figura 1, i punti blu rappresentano la Diffusività termicaLa diffusività termica (a con unità di misura mm2/s) è una proprietà specifica del materiale per caratterizzare la conduzione termica instabile. Questo valore descrive la velocità con cui un materiale reagisce a una variazione di temperatura.diffusività termica del rame con diversi spessori. In questo caso, per la valutazione è stata utilizzata la correzione degli impulsi. I triangoli arancioni rappresentano le stesse misure, ma la valutazione è stata eseguita senza correzione degli impulsi. Diminuendo lo spessore del campione - con conseguente riduzione dei tempi di misura - aumentano gli errori causati dalla sovrapposizione degli impulsi.
Conclusione
I risultati dimostrano che anche campioni di rame sottili e altamente conduttivi, con tempi di risposta termica estremamente brevi, possono essere misurati con precisione utilizzando l'LFA 707 StratoFlash® Classic . La combinazione di controllo regolabile degli impulsi, acquisizione dati ad alta velocità e correzione avanzata degli impulsi garantisce risultati affidabili sulla Diffusività termicaLa diffusività termica (a con unità di misura mm2/s) è una proprietà specifica del materiale per caratterizzare la conduzione termica instabile. Questo valore descrive la velocità con cui un materiale reagisce a una variazione di temperatura.diffusività termica anche in condizioni di misura difficili. Ciò rende l'LFA 707 StratoFlash® Classic una soluzione potente per la caratterizzazione di materiali con Diffusività termicaLa diffusività termica (a con unità di misura mm2/s) è una proprietà specifica del materiale per caratterizzare la conduzione termica instabile. Questo valore descrive la velocità con cui un materiale reagisce a una variazione di temperatura.diffusività termica molto elevata