Giriş
Yüksek performanslı elektronik ve optoelektronik sistemlerde, çok dar alanlarda yüksek termal yüklerin ortaya çıktığı durumlarda verimli ısı dağılımı hayati önem taşır.
Elmas, aşırı sertliği ile doğal olarak bulunan tüm malzemeler arasında en yüksek ısı iletkenliğini bir araya getirdiği için bu tür uygulamalar için özellikle uygundur; oda sıcaklığında 2000 W/(m·K) değerini aşar. Düşük ısıl genleşmesi ve elektrik yalıtımı, zorlu soğutma konseptlerinde kullanımını daha da desteklemektedir.
Bununla birlikte, elmasın olağanüstü ısı taşıma özelliği ve optik şeffaflığı nedeniyle, elmasın ısı iletkenliğinin doğru bir şekilde test edilmesi hâlâ zorlu bir görevdir; bu da yöntem, cihaz ve prosedür seçimini kritik bir öneme sahip kılar.
Gelişmiş Düzlem İçi Testler
Elmasın düzlem içi yöndeki termal yayılma katsayısını test ederken, numuneye genellikle belirli kalınlık şartları getirilir [1].
Numune çok ince olduğunda, ısı transferi son derece kısa bir süre içinde gerçekleşir. Bu durum, yüksek kaliteli bir dedektör sinyali elde etmek için yüksek zamansal çözünürlüğü özellikle önemli hale getirir. 10 µs kadar kısa darbe süreleri, daha iyi sinyal yakalamayı desteklese de, dar ölçüm aralığı sinyal ayrıştırma ve eğri uydurma işlemlerinin karmaşıklığını artırabilir. Bu faktörler uygun şekilde dikkate alındığında, yine de güvenilir hesaplamalar elde edilebilir.
NETZSCH 'i LFA 717 HyperFlash® örnek olarak alırsak, dedektör veri toplama frekansı 2 MHz'dir; bu da bitişik veri noktaları arasında 0,5 μs'lik bir zaman aralığı sağlar. ASTM E1461 standardına göre, yarı zaman (t₁/₂) değerine kadar genellikle en az 100 veri noktasının kaydedilmesi gerekir. Bununla birlikte, ultra yüksek ısı iletkenliğine sahip şeffaf elmas numuneler için 250 veri noktası önerilir; bu da minimum yarı zaman (t₁/₂) değerinin 0,125 ms olmasına yol açar. Bu durumda, test edilebilecek minimum numune kalınlığı (dₘᵢₙ), Parker formülü kullanılarak kabaca tahmin edilebilir; burada α, numunenin düzlem boyunca yönündeki termal difüzivitedir:
α değeri yaklaşık 1000 mm²/s olan tek kristal elmas için, yeterli test doğruluğunu sağlamak amacıyla numune kalınlığının 0,95 mm’den az olmaması tavsiye edilir. Bu değerden biraz daha ince numuneler de kullanılabilir olsa da, sinyal kalitesi bozulur; örneğin, sinyal-gürültü oranı düşer.
Eğer numune kalınlığı bu önerilen kalınlıktan önemli ölçüde daha azsa, termal difüzivite nasıl test edilmelidir?
Bu tür durumlarda, numune, düzlem içi yönü ölçmek amacıyla numune içinde daha uzun bir ısı yayılma yolu oluşturan bir düzlem içi tutucu kullanılarak test edilebilir (Şekil 1).
Tablo 1, düzlem içi numune tutucu kullanılarak 0,638 mm kalınlığındaki bir elmas numune için elde edilen düzlem içi Termal DifüziviteTermal difüzivite (mm2/s birimiyle a), kararsız ısı iletimini karakterize etmek için malzemeye özgü bir özelliktir. Bu değer, bir malzemenin sıcaklıktaki bir değişikliğe ne kadar hızlı tepki verdiğini açıklar.termal difüzivite sonuçlarını özetlemektedir. Ölçümler oda sıcaklığında gerçekleştirilmiştir. Ortalama düzlem içi Termal DifüziviteTermal difüzivite (mm2/s birimiyle a), kararsız ısı iletimini karakterize etmek için malzemeye özgü bir özelliktir. Bu değer, bir malzemenin sıcaklıktaki bir değişikliğe ne kadar hızlı tepki verdiğini açıklar.termal difüzivite değeri 1126,6 mm²/s olarak belirlenmiş olup, standart sapma 8,6 mm²/s'dir. Tek tek ölçümler arasındaki düşük dağılım, ölçümün mükemmel tekrarlanabilirliğini göstermektedir. Ölçülen düzlem içi değer, Uygulama Notu 438’de düzlem boyunca analiz edilen benzer elmas numuneleri için gözlemlenen difüzivite aralığıyla tutarlıdır. Bu uyum, düzlem içi LFA kurulumunun çok yüksek termal difüziviteye sahip malzemelerin karakterizasyonu için uygun olduğunu doğrulamaktadır.
İlgili sıcaklık artış eğrisi Şekil 2’de gösterilmiştir. Ölçülen sinyal, ışık darbesi hemen sonrasında keskin bir artış sergilemekte ve bunu kademeli bir azalma izlemektedir. Deneysel eğri ile uyarlanmış model eğrisi arasındaki son derece iyi uyum, seçilen düzlem içi ısı akışı modelinin elmas numunesinin termal tepkisini doğru bir şekilde yansıttığını göstermektedir. Kararlı uyum kalitesi ve düşük ölçüm belirsizliği, elde edilen düzlem içi difüzyon katsayısı değerinin güvenilirliğini desteklemektedir.
Sonuç
Sonuçlar, LFA yönteminin düzlem içi yönde yüksek iletkenliğe sahip malzemelerin incelenmesi için uygun olduğunu açıkça göstermektedir. Isının çok hızlı yayıldığı elmas için bile, düzlem içi ölçüm son derece tekrarlanabilir ve güvenilir sonuçlar vermiştir.
1126,6 mm²/s'lik ortalama düzlem içi Termal DifüziviteTermal difüzivite (mm2/s birimiyle a), kararsız ısı iletimini karakterize etmek için malzemeye özgü bir özelliktir. Bu değer, bir malzemenin sıcaklıktaki bir değişikliğe ne kadar hızlı tepki verdiğini açıklar.termal difüzivite değeri, yaklaşık %0,76'lık göreceli standart sapma ile birleştiğinde, ölçüm yaklaşımının istikrarını teyit etmektedir. Ölçülen sıcaklık artış eğrisi ile uydurulan model arasındaki mükemmel uyum, uygulanan düzlem içi değerlendirmenin geçerliliğini daha da desteklemektedir.
Bu nedenle, düzlem içi LFA analizi, özellikle ince ve yüksek iletkenliğe sahip malzemeler için yönsel termal taşıma özelliklerini belirlemede değerli bir yöntemdir. Uygun bir numune tutucu, uygun ölçüm parametreleri ve özel bir düzlem içi değerlendirme modeli ile güvenilir düzlem içi Termal DifüziviteTermal difüzivite (mm2/s birimiyle a), kararsız ısı iletimini karakterize etmek için malzemeye özgü bir özelliktir. Bu değer, bir malzemenin sıcaklıktaki bir değişikliğe ne kadar hızlı tepki verdiğini açıklar.termal difüzivite verileri elde edilebilir.
Bu güvenilir değerler, malzeme seçimi, termal tasarım ve simülasyon doğruluğunu destekleyerek, yerel aşırı ısınmayı azaltmaya ve bileşen performansını ve ömrünü artırmaya yardımcı olur.