Introducere
Disiparea eficientă a căldurii este esențială în domeniul electronicii și optoelectronicii de înaltă performanță, unde se înregistrează sarcini termice ridicate în spații foarte restrânse.
Diamantul este deosebit de potrivit pentru astfel de aplicații, deoarece combină o duritate extremă cu cea mai mare conductivitate termică dintre toate materialele naturale, depășind 2000 W/(m·K) la temperatura camerei. Dilatația sa termică redusă și izolația electrică susțin și mai mult utilizarea sa în concepte de răcire exigente.
Cu toate acestea, testarea precisă a conductivității termice a diamantului rămâne o provocare datorită capacității sale excepționale de transport al căldurii și transparenței optice, ceea ce face ca alegerea metodei, a instrumentului și a procedurii să fie de o importanță crucială.
Testare avansată în plan
Atunci când se testează difuzivitatea termică a diamantului în direcția perpendiculară pe plan, se impun de obicei cerințe specifice privind grosimea probei [1].
Atunci când proba este foarte subțire, transferul de căldură are loc într-un interval de timp extrem de scurt. Acest lucru face ca rezoluția temporală ridicată să fie deosebit de importantă pentru obținerea unui semnal de detectare de înaltă calitate. Deși duratele de impuls de doar 10 µs permit o captare îmbunătățită a semnalului, fereastra îngustă de măsurare poate spori complexitatea separării semnalelor și a ajustării curbelor. Luând în considerare în mod corespunzător acești factori, se pot obține totuși calcule fiabile.
Luând ca exemplu sistemul de măsurare a conductivității termice „ NETZSCH ” LFA 717 HyperFlash®, frecvența de achiziție a datelor de către detector este de 2 MHz, ceea ce generează un interval de timp de 0,5 μs între punctele de date adiacente. Conform standardului ASTM E1461, sunt necesare, în general, cel puțin 100 de puncte de date înregistrate până la timpul de jumătate (t₁/₂). Cu toate acestea, pentru probele transparente de diamant care prezintă o conductivitate termică extrem de ridicată, se recomandă 250 de puncte de date, ceea ce duce la un timp de înjumătățire (t₁/₂) minim de 0,125 ms. Grosimea minimă a probei care poate fi testată (dₘᵢₙ) poate fi apoi estimată aproximativ folosind formula lui Parker, unde α este difuzivitatea termică în direcția transversală pe plan a probei:
În cazul diamantului monocristalin cu o valoare α de aproximativ 1000 mm²/s, se recomandă ca grosimea probei să nu fie mai mică de 0,95 mm, pentru a asigura o precizie suficientă a testării. Deși probele cu grosimi ușor mai mici decât această valoare sunt acceptabile, calitatea semnalului se va deteriora; de exemplu, raportul semnal-zgomot va scădea.
Dacă grosimea probei este semnificativ mai mică decât grosimea recomandată, cum ar trebui testată difuzivitatea termică?
În astfel de cazuri, proba poate fi testată folosind un suport în plan (Figura 1), care creează o cale mai lungă de difuzie termică în interiorul probei, pentru a măsura, în schimb, direcția în plan.
Tabelul 1 prezintă rezultatele difuzivității termice în plan obținute pentru o probă de diamant cu grosimea de 0,638 mm, utilizând un suport de probă în plan. Măsurătorile au fost efectuate la temperatura camerei. S-a determinat o difuzivitate termică medie în plan de 1126,6 mm²/s, cu o abatere standard de 8,6 mm²/s. Dispersia redusă a măsurătorilor individuale demonstrează repetabilitatea excelentă a măsurătorilor. Valoarea măsurată în plan este în concordanță cu intervalul de difuzivitate observat pentru eșantioane comparabile de diamant analizate în direcția transversală a planului în Nota de aplicație 438. Această concordanță confirmă faptul că configurația LFA în plan este adecvată pentru caracterizarea materialelor cu difuzivitate termică foarte ridicată.
Curba corespunzătoare de creștere a temperaturii este prezentată în Figura 2. Semnalul măsurat prezintă o creștere bruscă imediat după impulsul luminos, urmată de o scădere treptată. Concordanța foarte bună dintre curba experimentală și curba modelului ajustat indică faptul că modelul selectat de flux termic în plan reprezintă cu precizie răspunsul termic al probei de diamant. Calitatea stabilă a ajustării și incertitudinea redusă a măsurătorilor susțin fiabilitatea valorii difuzivității în plan obținute.
Concluzie
Rezultatele demonstrează în mod clar că metoda LFA este adecvată pentru studierea materialelor cu conductivitate ridicată în direcția din plan. Chiar și în cazul diamantului, care prezintă o propagare foarte rapidă a căldurii, măsurarea în plan a furnizat rezultate extrem de reproductibile și fiabile.
Difuzivitatea termică medie în plan de 1126,6 mm²/s, combinată cu o abatere standard relativă de aproximativ 0,76 %, confirmă stabilitatea abordării de măsurare. Concordanța excelentă dintre curba de creștere a temperaturii măsurată și modelul ajustat susține și mai mult validitatea evaluării în plan aplicate.
Prin urmare, analiza LFA în plan reprezintă o metodă valoroasă pentru determinarea proprietăților de transport termic direcțional, în special pentru materialele subțiri și cu conductivitate ridicată. Cu ajutorul unui suport adecvat pentru probă, al unor parametri de măsurare corespunzători și al unui model dedicat de evaluare în plan, se pot obține date fiabile privind difuzivitatea termică în plan.
Aceste valori fiabile susțin selecția materialelor, proiectarea termică și precizia simulării, contribuind la reducerea supraîncălzirii locale și la îmbunătățirea performanței și duratei de viață a componentelor.