Inledning
Endast flashsystem med hög känslighet, lämplig pulsbredd och avancerad datautvärdering kan mäta tunna, högledande material på ett korrekt sätt. Den största utmaningen vid mätning av sådana material är den extremt korta mättiden. Detta kräver både en hög datainsamlingshastighet och en mycket låg pulsbredd.
Koppar är ett perfekt exempel på detta. Med en tjocklek på 0,3 mm upp till flera millimeter används det ofta som värmespridare, substratlager eller som en strukturerad kylplatta, där både lateral värmefördelning och tillförlitlig mekanisk integration krävs. Typiska tillämpningar finns inom kraftelektronik, batteriteknik och sammansättningar som utsätts för hög termisk belastning, där kompakt design och effektiv värmeavledning är avgörande.
Metod och mätningar Villkor
LFA 707 StratoFlash®Classic är utrustad med en laser som uppnår hög energitäthet, vilket är särskilt nödvändigt vid höga temperaturer. Vid mätning av tunna material är det dock viktigt med låg energitillförsel för att förhindra skador och överhettning.
Tack vare den justerbara pulsbredden och spänningen kan LFA 707 StratoFlash®Classic anpassa energitillförseln till mätkraven. Detektorn har en datainsamlingshastighet på 2 MHz, vilket säkerställer ett tillräckligt antal datapunkter även vid de kortaste mättiderna.
Mätförhållandena beskrivs närmare i tabell 1.
Tabell 1: Mätförhållanden
| Material | Ren koppar |
| Tjocklek | 0.32 mm till 4 mm |
| Hållare för prov | Ø 12,7 mm |
| Temperatur | Rumstemperatur |
| Pulsbredd | 100 till 600 μs |
| Modell | Standardmodell, baserad på Cape Lehmann med pulskorrigering |
Mätresultat och diskussion
Figur 1 visar den termiska diffusiviteten för koppar med olika tjocklekar, från 0,32 mm upp till 4 mm. Alla resultat ligger inom ±2,5 % jämfört med litteraturvärdet på ca 117 mm²/s vid rumstemperatur [1].
Pulslängden justerades beroende på tjocklek och mättid och varierade från 100 μs till 600 μs. Halveringstiden (t1/2) varierade över två storleksordningar från ca 210 μs för 0,32 mm-provet till 24 ms för det tjockaste provet med 4 mm.
Figur 2 visar signalerna för proverna med minsta och största tjocklek. Signal/brus-förhållandet för båda mätningarna är inte idealiskt. Detta beror på den låga energitillförsel som används för att förhindra överhettning och på att mätningarna utförs i rumstemperatur. Trots detta passar den matematiska modellen perfekt till data, vilket är avgörande för att uppnå mycket exakta resultat. Vid analys av laserblixtar baseras de matematiska modeller som används för att bestämma den termiska diffusiviteten på den analytiska lösningen av värmeledningsekvationen, med antagande av en momentan energitillförsel (Dirac-puls). I verkligheten har dock laserpulsen alltid en begränsad varaktighet. För prover med relativt lång mättid är pulsens varaktighet normalt mycket kortare än den karakteristiska mättiden, vilket gör att avvikelser från det ideala antagandet blir försumbara (figur 2: 4 mm koppar).
För mycket ledande material som koppar, särskilt vid mätning av tunna prover, sker den termiska responsen inom en mycket kort tid. I sådana fall är pulsens varaktighet av samma storleksordning som provets karakteristiska diffusionstid (figur 2: 0,32 mm koppar). Detta leder till en överlappning mellan uppvärmningsfasen och provets termiska respons, vilket kan förvränga temperaturkurvan och därmed den beräknade termiska diffusiviteten.
Pulskorrigering
För att ta hänsyn till denna effekt tillämpar analysprogrammet NETZSCH LFA Proteus® automatiskt den exponentiella pulskorrigeringen [2]. Istället för att anta en momentan energitillförsel beaktas laserpulsens verkliga signal under utvärderingen. Detta uppnås genom att pulssignalen införlivas genom konvolution, vilket gör att den tidsberoende värmetillförseln kan beaktas vid beräkningen av temperaturresponsen. På så sätt återspeglar den utvärderade termiska diffusiviteten de faktiska experimentella förhållandena snarare än en idealiserad momentan puls.
Genom att ta hänsyn till den faktiska pulsformen under utvärderingen förbättrar pulskorrigeringen avsevärt noggrannheten i bestämningen av den termiska diffusiviteten för tunna och mycket ledande prover. Detta blir allt viktigare när provets tjocklek minskar och den termiska diffusiviteten ökar.
För extremt korta mättider och därmed också extremt korta t1/2 är en robust och exakt pulskorrigering den viktigaste analysfunktionen. Detta demonstreras i figur 3. Precis som i figur 1 representerar de blå prickarna den termiska diffusiviteten för koppar med olika tjocklek. I det här fallet användes pulskorrigeringen för utvärdering. De orange trianglarna representerar samma mätningar, men utvärderingen utfördes utan pulskorrigering. Minskad provtjocklek - vilket resulterar i kortare mättider - leder till ökade fel orsakade av pulsöverlappning.
Slutsats
Resultaten visar att även tunna, mycket ledande kopparprover med extremt korta termiska svarstider kan mätas med stor noggrannhet med LFA 707 StratoFlash®Classic . Kombinationen av justerbar pulskontroll, höghastighetsdatainsamling och avancerad pulskorrigering ger tillförlitliga resultat för värmediffusivitet även under krävande mätförhållanden. Detta gör LFA 707 StratoFlash®Classic till en kraftfull lösning för karakterisering av material med mycket hög värmediffusivitet