Introduzione
Un’efficiente dissipazione del calore è fondamentale nell’elettronica e nell’optoelettronica ad alte prestazioni, dove si verificano elevati carichi termici in spazi molto ristretti.
Il diamante è particolarmente adatto a tali applicazioni poiché combina un’estrema durezza con la più elevata Conduttività termicaLa conducibilità termica (λ con unità di misura W/(m-K)) descrive il trasporto di energia - sotto forma di calore - attraverso un corpo di massa come risultato di un gradiente di temperatura (vedi fig. 1). Secondo la seconda legge della termodinamica, il calore fluisce sempre nella direzione della temperatura più bassa.conduttività termica tra tutti i materiali presenti in natura, che supera i 2000 W/(m·K) a temperatura ambiente. La sua bassa dilatazione termica e le sue proprietà di isolamento elettrico ne favoriscono ulteriormente l’impiego in sistemi di raffreddamento particolarmente esigenti.
Tuttavia, l’esecuzione di prove accurate sulla Conduttività termicaLa conducibilità termica (λ con unità di misura W/(m-K)) descrive il trasporto di energia - sotto forma di calore - attraverso un corpo di massa come risultato di un gradiente di temperatura (vedi fig. 1). Secondo la seconda legge della termodinamica, il calore fluisce sempre nella direzione della temperatura più bassa.conduttività termica del diamante rimane una sfida a causa delle sue eccezionali proprietà di trasporto del calore e della sua trasparenza ottica, il che rende fondamentale la scelta del metodo, dello strumento e della procedura.
Test avanzati a bordo
Quando si misura 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 diamante nella direzione trasversale al piano, al campione vengono solitamente imposti requisiti specifici relativi allo spessore [1].
Quando il campione è molto sottile, il trasferimento di calore avviene in un tempo estremamente breve. Ciò rende particolarmente importante un’elevata risoluzione temporale per ottenere un segnale del rilevatore di alta qualità. Sebbene durate d’impulso di appena 10 µs consentano una migliore acquisizione del segnale, la ristretta finestra di misurazione può aumentare la complessità della separazione del segnale e dell’adattamento della curva. Tenendo debitamente conto di questi fattori, è comunque possibile ottenere calcoli affidabili.
Prendendo come esempio l’ NETZSCH LFA 717 HyperFlash® , la frequenza di acquisizione dei dati del rilevatore è di 2 MHz, il che comporta un intervallo di tempo di 0,5 μs tra punti dati adiacenti. Secondo la norma ASTM E1461, in genere è necessario registrare almeno 100 punti dati fino al tempo di dimezzamento (t₁/₂). Tuttavia, per i campioni di diamante trasparente dotati di Conduttività termicaLa conducibilità termica (λ con unità di misura W/(m-K)) descrive il trasporto di energia - sotto forma di calore - attraverso un corpo di massa come risultato di un gradiente di temperatura (vedi fig. 1). Secondo la seconda legge della termodinamica, il calore fluisce sempre nella direzione della temperatura più bassa.conduttività termica ultraelevata, si raccomandano 250 punti dati, il che comporta un tempo di dimezzamento minimo (t₁/₂) pari a 0,125 ms. Lo spessore minimo del campione testabile (dₘᵢₙ) può quindi essere stimato approssimativamente utilizzando la formula di Parker, dove α è 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 nella direzione trasversale al piano del campione:
Per il diamante monocristallino con un valore di α pari a circa 1000 mm²/s, si raccomanda che lo spessore del campione non sia inferiore a 0,95 mm per garantire un’adeguata precisione della prova. Sebbene siano possibili campioni con spessori leggermente inferiori a tale valore, la qualità del segnale risulterà compromessa; ad esempio, il rapporto segnale-rumore diminuirà.
Se lo spessore del campione è notevolmente inferiore a tale spessore raccomandato, come si deve procedere per determinare la diffusività termica?
In tali casi, il campione può essere sottoposto a prova utilizzando un supporto in piano (Figura 1), che induce un percorso di diffusione termica più lungo all’interno del campione per misurare invece la direzione in piano.
La Tabella 1 riassume i risultati relativi alla 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 nel piano ottenuti per un campione di diamante dello spessore di 0,638 mm utilizzando un supporto per campioni nel piano. Le misurazioni sono state effettuate a temperatura ambiente. È stata determinata una 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 media nel piano pari a 1126,6 mm²/s, con una deviazione standard di 8,6 mm²/s. La scarsa dispersione dei singoli scatti dimostra l’eccellente ripetibilità della misurazione. Il valore misurato nel piano è coerente con l’intervallo di diffusività osservato per campioni di diamante comparabili analizzati nella direzione trasversale al piano nella Nota applicativa 438. Tale concordanza conferma che la configurazione LFA nel piano è idonea alla 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.
La curva di aumento della temperatura corrispondente è riportata nella Figura 2. Il segnale misurato mostra un brusco aumento immediatamente dopo l’impulso luminoso, seguito da un graduale decadimento. L’ottima corrispondenza tra la curva sperimentale e la curva del modello adattato indica che il modello di flusso termico nel piano selezionato rappresenta accuratamente la risposta termica del campione di diamante. La qualità stabile dell’adattamento e la bassa incertezza di misura confermano l’affidabilità del valore di diffusività nel piano ottenuto.
Conclusione
I risultati dimostrano chiaramente che il metodo LFA è idoneo allo studio di materiali altamente conduttivi nella direzione nel piano. Anche nel caso del diamante, che presenta una propagazione del calore molto rapida, la misurazione nel piano ha fornito risultati altamente riproducibili e affidabili.
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 media nel piano pari a 1126,6 mm²/s, unita a una deviazione standard relativa di circa lo 0,76 %, conferma la stabilità dell’approccio di misurazione. L’eccellente concordanza tra la curva di aumento della temperatura misurata e il modello adattato avvalora ulteriormente la validità della valutazione nel piano applicata.
Pertanto, l’analisi LFA nel piano rappresenta un metodo prezioso per determinare le proprietà direzionali di trasporto termico, in particolare per materiali sottili e altamente conduttivi. Con un supporto per campioni adeguato, parametri di misurazione appropriati e un modello di valutazione nel piano dedicato, è possibile ottenere dati 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 nel piano.
Questi valori affidabili supportano la scelta dei materiali, la progettazione termica e l’accuratezza delle simulazioni, contribuendo a ridurre il surriscaldamento locale e a migliorare le prestazioni e la durata dei componenti.