Het bijna onmogelijke meten - LFA-metingen met hoge precisie op dun koper: Van pulsbreedte tot signaalevaluatie

Inleiding

Alleen flitssystemen met een hoge gevoeligheid, een geschikte pulsbreedte en geavanceerde gegevensevaluatie kunnen nauwkeurig dunne, sterk geleidende materialen meten. De grootste uitdaging bij het meten van dergelijke materialen is de extreem korte meettijd. Dit vereist zowel een hoge gegevensverzamelsnelheid als een zeer lage pulsbreedte.

Koper is hier een perfect voorbeeld van. Met een dikte van 0,3 mm tot enkele millimeters wordt het vaak gebruikt als warmtespreider, substraatlaag of als gestructureerde koelplaat, waar zowel laterale warmtedistributie als betrouwbare mechanische integratie vereist zijn. Typische toepassingen zijn te vinden in vermogenselektronica, batterijtechnologie en assemblages onder hoge thermische spanning, waar een compact ontwerp en efficiënte warmteafvoer cruciaal zijn.

Methode en metingen Voorwaarden

De LFA 707 StratoFlash^®Classic is uitgerust met een laser die een hoge energiedichtheid bereikt, wat vooral nodig is bij hoge temperaturen. Bij het meten van dunne materialen is een lage energie-input echter essentieel om schade en oververhitting te voorkomen.

Dankzij de instelbare pulsbreedte en spanning kan de LFA 707 StratoFlash^®Classic de energie-input aanpassen aan de meetvereisten. De detector heeft een data-acquisitiesnelheid van 2 MHz, waardoor zelfs bij de kortste meettijden voldoende datapunten worden verkregen.

De meetvoorwaarden staan in tabel 1.

Tabel 1: Meetomstandigheden

Meetresultaten en discussie

Figuur 1 toont de Thermische diffusieThermische diffusie (a met de eenheid mm2/s) is een materiaalspecifieke eigenschap voor het karakteriseren van onstabiele warmtegeleiding. Deze waarde beschrijft hoe snel een materiaal reageert op een verandering in temperatuur.thermische diffusie van koper van verschillende diktes, variërend van 0,32 mm tot 4 mm. Alle resultaten zijn binnen ±2,5% vergeleken met de literatuurwaarde van ongeveer 117 mm²/s bij kamertemperatuur [1].

De pulslengte werd aangepast aan de dikte en de meettijd, variërend van 100 μs tot 600 μs. De halveringstijd (t1/2) varieerde over twee orden van grootte, van ongeveer 210 μs voor het monster van 0,32 mm tot 24 ms voor het dikste monster van 4 mm.

Figuur 2 toont de signalen voor de monsters met minimale en maximale dikte. De signaal-ruisverhouding van beide metingen is niet ideaal. Dit komt door de lage energie-input die gebruikt wordt om oververhitting te voorkomen en doordat de metingen bij kamertemperatuur worden uitgevoerd. Desondanks past het wiskundige model perfect bij de gegevens, wat cruciaal is voor het verkrijgen van zeer nauwkeurige resultaten. Bij laserflitsanalyse zijn de wiskundige modellen die gebruikt worden om de Thermische diffusieThermische diffusie (a met de eenheid mm2/s) is een materiaalspecifieke eigenschap voor het karakteriseren van onstabiele warmtegeleiding. Deze waarde beschrijft hoe snel een materiaal reageert op een verandering in temperatuur.thermische diffusie te bepalen gebaseerd op de analytische oplossing van de warmtegeleidingsvergelijking, uitgaande van een ogenblikkelijke energie-input (Dirac puls). In werkelijkheid heeft de laserpuls echter altijd een eindige duur. Voor monsters met een relatief lange meettijd is de pulsduur meestal veel korter dan de karakteristieke meettijd, waardoor afwijkingen van de ideale aanname verwaarloosbaar zijn (figuur 2: 4 mm koper).

Voor sterk geleidende materialen zoals koper, vooral bij het meten van dunne monsters, treedt de thermische respons binnen een zeer korte tijd op. In dergelijke gevallen is de pulsduur van dezelfde orde van grootte als de karakteristieke diffusietijd van het monster (afbeelding 2: 0,32 mm koper). Dit leidt tot een overlap tussen de verwarmingsfase en de thermische respons van het monster, wat de temperatuurcurve kan vervormen en dus ook de berekende Thermische diffusieThermische diffusie (a met de eenheid mm2/s) is een materiaalspecifieke eigenschap voor het karakteriseren van onstabiele warmtegeleiding. Deze waarde beschrijft hoe snel een materiaal reageert op een verandering in temperatuur.thermische diffusie.

Impulscorrectie

Om met dit effect rekening te houden, past de NETZSCH LFA Proteus^® analysesoftware automatisch de exponentiële pulscorrectie toe [2]. In plaats van uit te gaan van een momentane energie-input, wordt tijdens de evaluatie rekening gehouden met het werkelijke signaal van de laserpuls. Dit wordt bereikt door het pulssignaal op te nemen door middel van convolutie, waardoor de tijdsafhankelijke warmte-inbreng wordt meegenomen in de berekening van de temperatuurrespons. Op deze manier weerspiegelt de geëvalueerde Thermische diffusieThermische diffusie (a met de eenheid mm2/s) is een materiaalspecifieke eigenschap voor het karakteriseren van onstabiele warmtegeleiding. Deze waarde beschrijft hoe snel een materiaal reageert op een verandering in temperatuur.thermische diffusie de werkelijke experimentele omstandigheden in plaats van een geïdealiseerde momentane puls.

Door rekening te houden met de werkelijke pulsvorm tijdens de evaluatie, verbetert de pulscorrectie de nauwkeurigheid van de bepaling van de Thermische diffusieThermische diffusie (a met de eenheid mm2/s) is een materiaalspecifieke eigenschap voor het karakteriseren van onstabiele warmtegeleiding. Deze waarde beschrijft hoe snel een materiaal reageert op een verandering in temperatuur.thermische diffusie voor dunne en sterk geleidende monsters aanzienlijk. Dit wordt steeds belangrijker naarmate de dikte van het monster afneemt en de Thermische diffusieThermische diffusie (a met de eenheid mm2/s) is een materiaalspecifieke eigenschap voor het karakteriseren van onstabiele warmtegeleiding. Deze waarde beschrijft hoe snel een materiaal reageert op een verandering in temperatuur.thermische diffusie toeneemt.

Voor extreem korte meettijden en dus ook extreem korte _t1/2 is een robuuste en nauwkeurige pulscorrectie de belangrijkste analyse-eigenschap. Dit wordt gedemonstreerd in figuur 3. Net als in figuur 1 stellen de blauwe stippen de Thermische diffusieThermische diffusie (a met de eenheid mm2/s) is een materiaalspecifieke eigenschap voor het karakteriseren van onstabiele warmtegeleiding. Deze waarde beschrijft hoe snel een materiaal reageert op een verandering in temperatuur.thermische diffusie voor van koper met verschillende diktes. In dit geval werd de pulscorrectie gebruikt voor de evaluatie. De oranje driehoeken stellen dezelfde metingen voor, maar de evaluatie werd uitgevoerd zonder pulscorrectie. Het afnemen van de monsterdikte - wat resulteert in kortere meettijden - leidt tot grotere fouten door pulsoverlapping.

Conclusie

De resultaten tonen aan dat zelfs dunne, sterk geleidende koperen monsters met extreem korte thermische reactietijden nauwkeurig gemeten kunnen worden met de LFA 707 StratoFlash^®Classic . De combinatie van instelbare pulsregeling, snelle data-acquisitie en geavanceerde pulscorrectie zorgt voor betrouwbare Thermische diffusieThermische diffusie (a met de eenheid mm2/s) is een materiaalspecifieke eigenschap voor het karakteriseren van onstabiele warmtegeleiding. Deze waarde beschrijft hoe snel een materiaal reageert op een verandering in temperatuur.thermische diffusie resultaten, zelfs onder veeleisende meetomstandigheden. Dit maakt de LFA 707 StratoFlash^®Classic een krachtige oplossing voor de karakterisering van materialen met een zeer hoge Thermische diffusieThermische diffusie (a met de eenheid mm2/s) is een materiaalspecifieke eigenschap voor het karakteriseren van onstabiele warmtegeleiding. Deze waarde beschrijft hoe snel een materiaal reageert op een verandering in temperatuur.thermische diffusie