Inledning
Effektiv värmeavledning är avgörande inom högpresterande elektronik och optoelektronik, där höga värmebelastningar uppstår i mycket trånga utrymmen.
Diamant är särskilt väl lämpad för sådana tillämpningar eftersom den kombinerar extrem hårdhet med den högsta värmeledningsförmågan av alla naturligt förekommande material, över 2000 W/(m·K) vid rumstemperatur. Dess låga värmeutvidgning och elektriska isolering gör den ännu mer lämplig för användning i krävande kylningskoncept.
Att utföra noggranna värmeledningsförmågetester på diamant är dock fortfarande en utmaning på grund av dess exceptionella värmetransport och optiska transparens, vilket gör valet av metod, instrument och förfarande avgörande.
Avancerad testning i planet
Vid mätning av diamantens värmediffusionskoefficient i riktningen tvärs över planet ställs vanligtvis specifika krav på provets tjocklek [1].
När provet är mycket tunt sker värmeöverföringen på extremt kort tid. Detta gör att hög tidsupplösning är särskilt viktig för att erhålla en detektorsignal av hög kvalitet. Även om pulslängder på så kort tid som 10 µs möjliggör förbättrad signalavläsning, kan det snäva mätfönstret öka komplexiteten vid signalseparation och kurvanpassning. Med lämplig hänsyn till dessa faktorer kan tillförlitliga beräkningar ändå uppnås.
Med ” NETZSCH ” LFA 717 HyperFlash® som exempel är frekvensen för datainsamling från detektorn 2 MHz, vilket ger ett tidsintervall på 0,5 μs mellan intilliggande datapunkter. Enligt ASTM E1461 krävs i allmänhet att minst 100 datapunkter registreras fram till halvtid (t₁/₂). För transparenta diamantprover med extremt hög Termisk konduktivitetVärmekonduktivitet (λ med enheten W/(m-K)) beskriver transporten av energi - i form av värme - genom en masskropp som ett resultat av en temperaturgradient (se fig. 1). Enligt termodynamikens andra huvudsats strömmar värme alltid i riktning mot den lägre temperaturen.värmeledningsförmåga rekommenderas dock 250 datapunkter, vilket ger en minsta halveringstid (t₁/₂) på 0,125 ms. Den minsta provtjocklek (dₘᵢₙ) som kan testas kan då grovt uppskattas med hjälp av Parkers formel, där α är värmediffusionskoefficienten i provets tvärplanriktning:
För enkristallisk diamant med ett α-värde på cirka 1000 mm²/s rekommenderas att provets tjocklek inte är mindre än 0,95 mm för att säkerställa tillräcklig mätnoggrannhet. Även om prov med tjocklekar som är något mindre än detta värde är möjliga, försämras signalkvaliteten, till exempel minskar signal-brusförhållandet.
Om provets tjocklek är betydligt mindre än denna rekommenderade tjocklek, hur ska då värmediffusionskoefficienten mätas?
I sådana fall kan provet testas med hjälp av en hållare i plan (figur 1), vilket skapar en längre värmediffusionsväg inuti provet för att istället mäta i planriktningen.
Tabell 1 sammanfattar resultaten för värmediffusionsförmågan i planet som erhölls för ett 0,638 mm tjockt diamantprov med hjälp av en provhållare i planet. Mätningarna utfördes vid rumstemperatur. En genomsnittlig värmediffusionsförmåga i planet på 1126,6 mm²/s fastställdes med en standardavvikelse på 8,6 mm²/s. Den låga spridningen mellan de enskilda mätningarna visar på mätningens utmärkta repeterbarhet. Det uppmätta värdet i plan överensstämmer med det diffusionsintervall som observerats för jämförbara diamantprover som analyserats i riktningen genom planet i tillämpningsnot 438. Denna överensstämmelse bekräftar att LFA-uppställningen i plan är lämplig för karakterisering av material med mycket hög värmediffusionsförmåga.
Den motsvarande temperaturökningskurvan visas i figur 2. Den uppmätta signalen uppvisar en kraftig ökning omedelbart efter ljusimpulsen, följd av en gradvis avklingning. Den mycket goda överensstämmelsen mellan den experimentella kurvan och den anpassade modellkurvan tyder på att den valda modellen för värmeflöde i planet på ett korrekt sätt återger diamantprovets termiska respons. Den stabila anpassningskvaliteten och den låga mätosäkerheten styrker tillförlitligheten hos det erhållna värdet för diffusiviteten i planet.
Slutsats
Resultaten visar tydligt att LFA-metoden är lämplig för att undersöka högledande material i planriktningen. Även för diamant, som uppvisar en mycket snabb värmespridning, gav mätningen i planriktningen mycket reproducerbara och tillförlitliga resultat.
Den genomsnittliga värmediffusionskoefficienten i planriktningen på 1126,6 mm²/s, i kombination med en relativ standardavvikelse på cirka 0,76 %, bekräftar mätmetodens stabilitet. Den utmärkta överensstämmelsen mellan den uppmätta temperaturökningskurvan och den anpassade modellen styrker ytterligare giltigheten hos den tillämpade utvärderingen i planriktningen.
Därför utgör LFA-analys i planriktningen en värdefull metod för att bestämma riktningsberoende värmetransportegenskaper, särskilt för tunna och högledande material. Med en lämplig provhållare, passande mätparametrar och en särskild utvärderingsmodell i planriktningen kan tillförlitliga data för värmediffusionsförmågan i planriktningen erhållas.
Dessa tillförlitliga värden underlättar materialval, termisk konstruktion och simuleringsnoggrannhet, vilket bidrar till att minska lokal överhettning och förbättra komponenternas prestanda och livslängd.