Введение
Точное измерение тонких высокопроводящих материалов возможно только с помощью флеш-систем, обладающих высокой чувствительностью, соответствующей шириной импульса и усовершенствованной системой оценки данных. Самой большой проблемой при измерении таких материалов является чрезвычайно короткое время измерения. Это требует как высокой скорости сбора данных, так и очень малой длительности импульса.
Медь - идеальный пример для этого. При толщине от 0,3 мм до нескольких миллиметров она часто используется в качестве теплораспределителя, слоя подложки или структурированной охлаждающей пластины, где требуется как боковое распределение тепла, так и надежная механическая интеграция. Типичные области применения - силовая электроника, аккумуляторные технологии и узлы, испытывающие высокие тепловые нагрузки, где компактность конструкции и эффективный отвод тепла имеют решающее значение.
Метод и условия измерений
LFA 707 StratoFlash®Classic оснащен лазером с высокой плотностью энергии, что особенно необходимо при высоких температурах. Однако при измерении тонких материалов для предотвращения повреждений и перегрева необходима низкая потребляемая энергия.
Благодаря регулируемой длительности импульса и напряжению, LFA 707 StratoFlash®Classic может адаптировать потребляемую энергию к требованиям измерения. Скорость сбора данных детектора составляет 2 МГц, что обеспечивает достаточное количество точек данных даже при минимальном времени измерения.
Условия измерений подробно описаны в таблице 1.
Таблица 1: Условия измерений
| Материал | Чистая медь |
| Толщина | 0.32 мм - 4 мм |
| Держатель образца | Ø 12,7 мм |
| Температура | Комнатная температура |
| Ширина импульса | от 100 до 600 мкс |
| Модель | Стандартная модель, основанная на мысе Лемана с коррекцией импульсов |
Результаты измерений и обсуждение
На рис. 1 показана теплопроводность меди различной толщины, от 0,32 мм до 4 мм. Все результаты находятся в пределах ±2,5 % по сравнению с литературным значением около 117 мм²/с при комнатной температуре [1].
Длительность импульса регулировалась в зависимости от толщины и времени измерения и составляла от 100 мкс до 600 мкс. Время полураспада (t1/2) варьировалось на два порядка от примерно 210 мкс для образца толщиной 0,32 мм до 24 мс для самого толстого образца толщиной 4 мм.
На рис. 2 показаны сигналы для образцов минимальной и максимальной толщины. Соотношение сигнал/шум в обоих измерениях не является идеальным. Это объясняется низким потреблением энергии для предотвращения перегрева и тем, что измерения проводились при комнатной температуре. Тем не менее, математическая модель идеально соответствует данным, что очень важно для получения высокоточных результатов. При анализе лазерных вспышек математические модели, используемые для определения теплопроводности, основаны на аналитическом решении уравнения теплопроводности, предполагающем мгновенный ввод энергии (импульс Дирака). В реальности, однако, лазерный импульс всегда имеет конечную длительность. Для образцов с относительно большим временем измерения длительность импульса обычно намного меньше характерного времени измерения, что делает отклонения от идеального предположения незначительными (рис. 2: медь толщиной 4 мм).
Для высокопроводящих материалов, таких как медь, особенно при измерении тонких образцов, тепловой отклик происходит в течение очень короткого времени. В таких случаях длительность импульса имеет тот же порядок величины, что и характерное время диффузии образца (рис. 2: медь толщиной 0,32 мм). Это приводит к наложению фазы нагрева и теплового отклика образца, что может исказить температурную кривую и, следовательно, расчетную температуропроводность.
Коррекция импульсов
Для учета этого эффекта в программе анализа NETZSCH LFA Proteus® автоматически применяется коррекция экспоненциального импульса [2]. Вместо предположения о мгновенном вводе энергии при оценке учитывается реальный сигнал лазерного импульса. Это достигается путем включения сигнала импульса через свертку, что позволяет учесть зависящий от времени тепловой ввод при расчете температурного отклика. Таким образом, оцененная теплопроводность отражает реальные экспериментальные условия, а не идеализированный мгновенный импульс.
Благодаря учету фактической формы импульса при оценке, коррекция импульса значительно повышает точность определения температуропроводности для тонких и высокопроводящих образцов. Это становится все более важным по мере уменьшения толщины образца и увеличения его температуропроводности.
Для очень короткого времени измерения и, соответственно, очень короткого t1/2, надежная и точная коррекция импульса является наиболее важной аналитической характеристикой. Это показано на рисунке 3. Как и на рисунке 1, синие точки представляют тепловую диффузию меди различной толщины. В данном случае для оценки использовалась импульсная коррекция. Оранжевые треугольники представляют те же измерения, но оценка проводилась без импульсной коррекции. Уменьшение толщины образца, приводящее к сокращению времени измерения, приводит к увеличению погрешности, вызванной наложением импульсов.
Заключение
Результаты показывают, что с помощью LFA 707 StratoFlash®Classic можно точно измерять даже тонкие высокопроводящие медные образцы с очень коротким временем теплового отклика. Сочетание регулируемого управления импульсами, высокоскоростного сбора данных и усовершенствованной коррекции импульсов обеспечивает надежные результаты измерения температуропроводности даже в сложных условиях измерения. Таким образом, LFA 707 StratoFlash®Classic является мощным решением для определения характеристик материалов с очень высокой температуропроводностью