Wprowadzenie
Skuteczne odprowadzanie ciepła ma kluczowe znaczenie w elektronice i optoelektronice o wysokiej wydajności, gdzie w bardzo ograniczonych przestrzeniach występują duże obciążenia termiczne.
Diament doskonale nadaje się do takich zastosowań, ponieważ łączy w sobie wyjątkową twardość z najwyższą przewodnością cieplną spośród wszystkich materiałów występujących w naturze, przekraczającą 2000 W/(m·K) w temperaturze pokojowej. Jego niska rozszerzalność cieplna oraz właściwości izolacyjne dodatkowo sprzyjają jego wykorzystaniu w wymagających rozwiązaniach chłodniczych.
Precyzyjne badanie przewodności cieplnej diamentu pozostaje jednak wyzwaniem ze względu na jego wyjątkową zdolność do przenoszenia ciepła oraz przezroczystość optyczną, co sprawia, że wybór metody, przyrządu i procedury ma kluczowe znaczenie.
Zaawansowane testy w płaszczyźnie
Podczas badania współczynnika dyfuzji cieplnej diamentu w kierunku poprzecznym do płaszczyzny próbki zazwyczaj nakłada się na nią określone wymagania dotyczące grubości [1].
Gdy próbka jest bardzo cienka, przenoszenie ciepła zachodzi w niezwykle krótkim czasie. Sprawia to, że wysoka rozdzielczość czasowa ma szczególne znaczenie dla uzyskania sygnału detektora o wysokiej jakości. Chociaż czasy trwania impulsów wynoszące zaledwie 10 µs umożliwiają lepsze uchwycenie sygnału, wąskie okno pomiarowe może zwiększyć złożoność procesu separacji sygnałów i dopasowywania krzywych. Przy odpowiednim uwzględnieniu tych czynników nadal można uzyskać wiarygodne obliczenia.
Na przykładzie systemu „ NETZSCH ” LFA 717 HyperFlash® częstotliwość akwizycji danych z detektora wynosi 2 MHz, co daje odstęp czasowy wynoszący 0,5 μs między sąsiednimi punktami danych. Zgodnie z normą ASTM E1461 zazwyczaj wymagane jest zarejestrowanie co najmniej 100 punktów danych do momentu osiągnięcia czasu połowicznego (t₁/₂). Jednak w przypadku przezroczystych próbek diamentowych o ultra wysokiej przewodności cieplnej zaleca się 250 punktów pomiarowych, co daje minimalny czas połowicznego zaniku (t₁/₂) wynoszący 0,125 ms. Minimalną grubość próbki nadającej się do badania (dₘᵢₙ) można wówczas z grubsza oszacować za pomocą wzoru Parkera, gdzie α oznacza dyfuzyjność cieplną w kierunku poprzecznym do płaszczyzny próbki:
W przypadku diamentu monokrystalicznego o wartości α wynoszącej około 1000 mm²/s zaleca się, aby grubość próbki wynosiła co najmniej 0,95 mm w celu zapewnienia wystarczającej dokładności badania. Chociaż możliwe jest stosowanie próbek o grubości nieco mniejszej od tej wartości, pogorszy się jakość sygnału – na przykład zmniejszy się stosunek sygnału do szumu.
Jeśli grubość próbki jest znacznie mniejsza od tej zalecanej grubości, w jaki sposób należy zbadać współczynnik dyfuzyjności cieplnej?
W takich przypadkach próbkę można zbadać przy użyciu uchwytu w płaszczyźnie (rys. 1), który zapewnia dłuższą ścieżkę dyfuzji ciepła w obrębie próbki, umożliwiając w ten sposób pomiar w kierunku w płaszczyźnie.
W tabeli 1 podsumowano wyniki pomiarów dyfuzyjności cieplnej w płaszczyźnie uzyskane dla próbki diamentu o grubości 0,638 mm przy użyciu uchwytu do próbek w płaszczyźnie. Pomiary przeprowadzono w temperaturze pokojowej. Ustalono średnią dyfuzyjność cieplną w płaszczyźnie wynoszącą 1126,6 mm²/s przy odchyleniu standardowym wynoszącym 8,6 mm²/s. Niewielkie rozrzuty poszczególnych pomiarów świadczą o doskonałej powtarzalności pomiaru. Zmierzona wartość w płaszczyźnie jest zgodna z zakresem dyfuzyjności zaobserwowanym dla porównywalnych próbek diamentu analizowanych w kierunku poprzecznym do płaszczyzny w nocie aplikacyjnej nr 438. Ta zgodność potwierdza, że konfiguracja LFA w płaszczyźnie nadaje się do charakteryzowania materiałów o bardzo wysokiej dyfuzyjności cieplnej.
Odpowiednią krzywą wzrostu temperatury przedstawiono na rysunku 2. Zmierzone sygnały wykazują gwałtowny wzrost bezpośrednio po impulsie świetlnym, po którym następuje stopniowy spadek. Bardzo dobra zgodność między krzywą eksperymentalną a krzywą modelową wskazuje, że wybrany model przepływu ciepła w płaszczyźnie dokładnie odzwierciedla reakcję termiczną próbki diamentu. Stabilna jakość dopasowania oraz niska niepewność pomiaru potwierdzają wiarygodność uzyskanej wartości dyfuzyjności w płaszczyźnie.
Wnioski
Wyniki wyraźnie wskazują, że metoda LFA nadaje się do badania materiałów o wysokiej przewodności w kierunku w płaszczyźnie. Nawet w przypadku diamentu, który charakteryzuje się bardzo szybkim rozprzestrzenianiem się ciepła, pomiar w płaszczyźnie zapewnił wyniki o wysokiej powtarzalności i wiarygodności.
Średnia dyfuzyjność cieplna w płaszczyźnie wynosząca 1126,6 mm²/s, w połączeniu z względnym odchyleniem standardowym wynoszącym około 0,76%, potwierdza stabilność zastosowanej metody pomiarowej. Doskonała zgodność między zmierzoną krzywą wzrostu temperatury a dopasowanym modelem dodatkowo potwierdza trafność zastosowanej oceny w płaszczyźnie.
W związku z tym analiza LFA w płaszczyźnie stanowi cenną metodę określania kierunkowych właściwości transportu ciepła, szczególnie w przypadku cienkich i wysoce przewodzących materiałów. Przy użyciu odpowiedniego uchwytu próbki, właściwych parametrów pomiarowych oraz dedykowanego modelu oceny w płaszczyźnie można uzyskać wiarygodne dane dotyczące dyfuzyjności cieplnej w płaszczyźnie.
Te wiarygodne wartości stanowią wsparcie przy doborze materiałów, projektowaniu termicznym oraz zapewnieniu dokładności symulacji, przyczyniając się do ograniczenia lokalnego przegrzania oraz poprawy wydajności i trwałości komponentów.