Inleiding
Een efficiënte warmteafvoer is van cruciaal belang in hoogwaardige elektronica en opto-elektronica, waar hoge thermische belastingen optreden in zeer beperkte ruimtes.
Diamant is bijzonder geschikt voor dergelijke toepassingen, aangezien het extreme hardheid combineert met de hoogste Thermische geleidbaarheidThermische geleidbaarheid (λ met de eenheid W/(m-K)) beschrijft het transport van energie - in de vorm van warmte - door een massa-lichaam als gevolg van een temperatuurgradiënt (zie fig. 1). Volgens de tweede wet van de thermodynamica stroomt warmte altijd in de richting van de lagere temperatuur.thermische geleidbaarheid van alle in de natuur voorkomende materialen, die bij kamertemperatuur meer dan 2000 W/(m·K) bedraagt. De lage thermische uitzetting en elektrische isolatie ondersteunen het gebruik ervan in veeleisende koelconcepten nog verder.
Het nauwkeurig meten van de warmtegeleidbaarheid van diamant blijft echter een uitdaging vanwege zijn uitzonderlijke warmtetransport en optische transparantie, waardoor de keuze van methode, instrument en procedure van cruciaal belang is.
Geavanceerde tests tijdens de vlucht
Bij het testen van de thermische diffusiviteit van diamant in de richting dwars op het vlak worden doorgaans specifieke eisen aan de dikte van het monster gesteld [1].
Wanneer het monster zeer dun is, vindt de warmteoverdracht binnen een uiterst korte tijd plaats. Dit maakt een hoge temporele resolutie bijzonder belangrijk voor het verkrijgen van een detectiesignaal van hoge kwaliteit. Hoewel pulsduur van slechts 10 µs een betere signaalregistratie mogelijk maakt, kan het smalle meetvenster de complexiteit van signaalscheiding en curvefitting vergroten. Door op de juiste wijze rekening te houden met deze factoren, kunnen nog steeds betrouwbare berekeningen worden verkregen.
Neem bijvoorbeeld de NETZSCH LFA 717 HyperFlash® : de frequentie van de detectorgegevensverzameling bedraagt 2 MHz, wat een tijdsinterval van 0,5 μs tussen aangrenzende gegevenspunten oplevert. Volgens ASTM E1461 moeten doorgaans ten minste 100 gegevenspunten worden geregistreerd tot aan de halve tijd (t₁/₂). Voor transparante diamantmonsters met een ultrahoge Thermische geleidbaarheidThermische geleidbaarheid (λ met de eenheid W/(m-K)) beschrijft het transport van energie - in de vorm van warmte - door een massa-lichaam als gevolg van een temperatuurgradiënt (zie fig. 1). Volgens de tweede wet van de thermodynamica stroomt warmte altijd in de richting van de lagere temperatuur.thermische geleidbaarheid worden echter 250 gegevenspunten aanbevolen, wat resulteert in een minimale halveringstijd (t₁/₂) van 0,125 ms. De minimale testbare monsterdikte (dₘᵢₙ) kan vervolgens grofweg worden geschat met behulp van de formule van Parker, waarbij α de thermische diffusiviteit in de richting dwars op het vlak van het monster is:
Voor monokristal-diamant met een α van ongeveer 1000 mm²/s wordt aanbevolen dat de dikte van het monster niet minder dan 0,95 mm bedraagt om een voldoende testnauwkeurigheid te waarborgen. Hoewel monsters met een dikte die iets onder deze waarde ligt, weliswaar mogelijk zijn, zal de signaalkwaliteit verslechteren; zo neemt bijvoorbeeld de signaal-ruisverhouding af.
Indien de dikte van het monster aanzienlijk kleiner is dan deze aanbevolen dikte, hoe dient de thermische diffusiviteit dan te worden getest?
In dergelijke gevallen kan het monster worden getest met behulp van een in-plane-houder (Figuur 1), waardoor een langere warmtediffusieroute binnen het monster ontstaat om in plaats daarvan de in-plane-richting te meten.
Tabel 1 geeft een overzicht van de resultaten van de thermische diffusiviteit in het vlak die zijn verkregen voor een diamantmonster met een dikte van 0,638 mm met behulp van een monsterhouder in het vlak. De metingen werden uitgevoerd bij kamertemperatuur. Er werd een gemiddelde thermische diffusiviteit in het vlak van 1126,6 mm²/s vastgesteld, met een standaardafwijking van 8,6 mm²/s. De geringe spreiding van de afzonderlijke metingen toont de uitstekende herhaalbaarheid van de meting aan. De gemeten waarde in het vlak komt overeen met het diffusiviteitsbereik dat is waargenomen voor vergelijkbare diamantmonsters die in Application Note 438 in de richting dwars op het vlak zijn geanalyseerd. Deze overeenstemming bevestigt dat de LFA-opstelling in het vlak geschikt is voor het karakteriseren van materialen met een zeer hoge thermische diffusiviteit.
De bijbehorende temperatuurstijgingscurve wordt weergegeven in figuur 2. Het gemeten signaal vertoont onmiddellijk na de lichtimpuls een scherpe stijging, gevolgd door een geleidelijke afname. De zeer goede overeenstemming tussen de experimentele curve en de aangepaste modelcurve wijst erop dat het gekozen warmtestromingsmodel in het vlak de thermische respons van het diamantmonster nauwkeurig weergeeft. De stabiele kwaliteit van de aanpassing en de lage meetonzekerheid ondersteunen de betrouwbaarheid van de verkregen waarde voor de diffusiviteit in het vlak.
Conclusie
De resultaten tonen duidelijk aan dat de LFA-methode geschikt is voor het onderzoeken van sterk geleidende materialen in de richting binnen het vlak. Zelfs voor diamant, dat een zeer snelle warmteverspreiding vertoont, leverde de meting binnen het vlak zeer reproduceerbare en betrouwbare resultaten op.
De gemiddelde thermische diffusiviteit in het vlak van 1126,6 mm²/s, in combinatie met een relatieve standaardafwijking van ongeveer 0,76 %, bevestigt de stabiliteit van de meetmethode. De uitstekende overeenstemming tussen de gemeten temperatuurstijgingscurve en het aangepaste model ondersteunt bovendien de validiteit van de toegepaste evaluatie in het vlak.
Daarom vormt de LFA-analyse in het vlak een waardevolle methode voor het bepalen van directionele warmtetransporteigenschappen, met name voor dunne en zeer geleidende materialen. Met een geschikte monsterhouder, passende meetparameters en een speciaal evaluatiemodel voor het vlak kunnen betrouwbare gegevens over de thermische diffusiviteit in het vlak worden verkregen.
Deze betrouwbare waarden ondersteunen de materiaalkeuze, het thermisch ontwerp en de nauwkeurigheid van simulaties, waardoor lokale oververhitting wordt verminderd en de prestaties en levensduur van componenten worden verbeterd.