Введение
Эффективный отвод тепла имеет решающее значение в высокопроизводительной электронике и оптоэлектронике, где высокие тепловые нагрузки возникают в очень ограниченных пространствах.
Алмаз особенно хорошо подходит для таких применений, поскольку сочетает в себе исключительную твёрдость с самой высокой теплопроводностью среди всех природных материалов, превышающей 2000 Вт/(м·К) при комнатной температуре. Его низкое тепловое расширение и электрическая изоляция ещё больше способствуют его использованию в сложных системах охлаждения.
Однако точное определение теплопроводности алмаза по-прежнему представляет собой сложную задачу из-за его исключительной способности к теплопередаче и оптической прозрачности, что делает выбор метода, приборов и процедуры чрезвычайно важным.
Расширенное тестирование в плоскости
При измерении теплопроводности алмаза в направлении, перпендикулярном плоскости, к образцу, как правило, предъявляются особые требования к толщине [1].
Если образец очень тонкий, теплопередача происходит за чрезвычайно короткое время. В связи с этим высокое временное разрешение приобретает особую важность для получения высококачественного сигнала детектора. Хотя длительность импульсов всего в 10 мкс способствует улучшению регистрации сигнала, узкое окно измерения может усложнить процессы разделения сигналов и аппроксимации кривых. При надлежащем учте этих факторов все же можно получить достоверные расчетные результаты.
На примере прибора NETZSCH LFA 717 HyperFlash® частота сбора данных детектора составляет 2 МГц, что обеспечивает временной интервал 0,5 мкс между соседними точками данных. Согласно стандарту ASTM E1461, как правило, требуется зарегистрировать не менее 100 точек данных до момента, соответствующего половине времени (t₁/₂). Однако для прозрачных алмазных образцов, обладающих сверхвысокой теплопроводностью, рекомендуется использовать 250 точек данных, что приводит к минимальному времени полуугасания (t₁/₂) равному 0,125 мс. Минимальную толщину испытуемого образца (dₘᵢₙ) можно затем приблизительно рассчитать с помощью формулы Паркера, где α — коэффициент тепловой диффузии в направлении, перпендикулярном плоскости образца:
Для монокристаллического алмаза с коэффициентом α около 1000 мм²/с рекомендуется, чтобы толщина образца составляла не менее 0,95 мм для обеспечения достаточной точности испытаний. Хотя использование образцов с толщиной, незначительно меньшей данного значения, возможно, качество сигнала ухудшится — например, снизится отношение сигнал/шум.
Если толщина образца значительно меньше этой рекомендуемой толщины, каким образом следует проводить испытания на теплопроводность?
В таких случаях образец можно исследовать с использованием держателя в плоскости (рис. 1), который создает более длинный путь диффузии тепла внутри образца, что позволяет измерить коэффициент теплопроводности в плоскости.
В таблице 1 приведены результаты измерения теплопроводности в плоскости, полученные для образца алмаза толщиной 0,638 мм с использованием держателя образца в плоскости. Измерения проводились при комнатной температуре. Была определена средняя теплопроводность в плоскости, равная 1126,6 мм²/с, со стандартным отклонением 8,6 мм²/с. Незначительное разброс отдельных измерений свидетельствует об отличной повторяемости результатов. Измеренное значение теплопроводности в плоскости соответствует диапазону значений, наблюдаемому для сопоставимых образцов алмаза, проанализированных в направлении поперек плоскости в Примечании по применению № 438. Это совпадение подтверждает, что установка LFA для измерений в плоскости подходит для характеристики материалов с очень высокой теплопроводностью.
Соответствующая кривая повышения температуры представлена на рисунке 2. Измеренный сигнал демонстрирует резкий скачок сразу после светового импульса, за которым следует постепенное затухание. Очень хорошее совпадение экспериментальной кривой с кривой, построенной на основе модели, свидетельствует о том, что выбранная модель теплового потока в плоскости точно отражает тепловую реакцию алмазного образца. Стабильное качество аппроксимации и низкая погрешность измерения подтверждают достоверность полученного значения коэффициента теплопроводности в плоскости.
Заключение
Полученные результаты наглядно демонстрируют, что метод LFA подходит для исследования материалов с высокой теплопроводностью в направлении, перпендикулярном плоскости. Даже в случае алмаза, характеризующегося очень быстрым распространением тепла, измерения в плоскости обеспечили высокую воспроизводимость и достоверность результатов.
Среднее значение теплопроводности в плоскости, равное 1126,6 мм²/с, в сочетании с относительным стандартным отклонением примерно 0,76 % подтверждает стабильность данного метода измерения. Превосходное совпадение между измеренной кривой повышения температуры и подгонённой моделью дополнительно подтверждает достоверность примененной оценки в плоскости.
Таким образом, анализ LFA в плоскости представляет собой ценный метод определения направленных свойств теплопереноса, особенно для тонких и высокопроводящих материалов. При использовании соответствующего держателя образца, подходящих параметров измерения и специальной модели оценки в плоскости можно получить надежные данные о теплопроводности в плоскости.
Эти достоверные значения способствуют правильному выбору материалов, проектированию тепловых систем и повышению точности моделирования, что помогает снизить локальный перегрев и улучшить рабочие характеристики и срок службы компонентов.