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PLH – Periodic Laser Heating

Beherrschung der thermischen Eigenschaften und der Dicke in der Nanotech-Ära

Beschreibung

Auf den Punkt

Die Charakterisierung von Mikrometermaterialien ist heute aufgrund der laufenden Forschung und Entwicklung für neue Technologien, wie Batterie- und Wasserstoffanwendungen, sowie der Bemühungen um Miniaturisierung ein wichtiges Thema.

Aufgrund des großen Verhältnisses von Oberfläche zu Volumen müssen diese Arten von Materialien getrennt von Massenmaterialien untersucht werden, aber die Probenvorbereitung und die Messungen können sehr schwierig sein.

Zusätzlich zu unserer bewährten Laserblitztechnik ermöglicht uns der PLH-Aufbau, den Messbereich unserer zerstörungsfreien optischen Instrumente in Bezug auf Dicke und Wärmetransporteigenschaften zu erweitern.

Das PLH wurde entwickelt und optimiert, um Proben mit hoher Genauigkeit über einen Messbereich von 10 μm bis 500 μm und einen Temperaturleifähigkeits-Bereich von 0,01 – 2000 mm²/s zu charakterisieren.

Das System kann eine breite Palette von Materialien verarbeiten. Es ist möglich, sowohl Proben mit halbleitendem Verhalten als auch Metalle, Keramiken oder Polymere zu messen. Typische Anwendungen sind freistehende Folien und Membranen für die Batterie- und Wasserstoffindustrie.

Temperaturbereich
bis zu 300°C

Dicke von
10 µm
bis zu 500 µm

Multi-Proben-
Roboter

Vollautomatischer
Betrieb

Modus

Cross-Plane Periodic Laser Heating

Das System verwendet einen Diodenlaser, um die Rückseite einer Probe periodisch mit kontinuierlichem, amplitudenmoduliertem Laserlicht zu erwärmen. Diese Energie wird von der Probe absorbiert und löst eine Wärmewelle aus. Die Wärmewelle breitet sich durch die Probe zu ihrer Vorderseite aus, wo die ursprünglich absorbierte Wärmeenergie emittiert wird. Die sich daraus ergebende Temperaturschwingung auf der Vorderseite wird mit einem IR-Detektor aufgezeichnet, wie in der Abbildung unten dargestellt.

Aufgrund der thermischen Transporteigenschaften der Probe kann ein charakteristisches Verhalten der Phasenverschiebung und der Amplitude des resultierenden Signals beobachtet werden.

Die Auswertung der Wärmeleitfähigkeit, der Temperaturleitfähigkeit und der spezifischen Wärmekapazität des Volumens erfolgt mit unserem umfassenden Linseis-Softwarepaket. Der einzige erforderliche Eingabeparameter ist die Probendicke.


IL bezeichnet das modulierte Laserlicht und IIR ist die Infrarotstrahlung mit den entsprechenden Amplituden AL und AIR sowie der Phasenverschiebung Φ.

α = Wärmedurchlässigkeit [m2/s]
L = Höhe der Probe [m]
m = Steigung des linearen Bereichs [√s]

Modus

Cross-Plane Periodic Laser Heating

α =Wärmedurchlassgrad [m²/s]
ω =Winkelfrequenz (2*π*f ) [1/s]
f = Modulationsfrequenz [Hz]
m(Φ, amp) = Steigung der beiden Messkurven einmal nach Phase und
einmal nach der Amplitude [1/m]

Darüber hinaus ist das System in der Lage, die Temperaturleitfähigkeit in der Ebene zu messen, indem ein horizontaler Versatztisch verwendet wird, während die Probe gleichzeitig mit kontinuierlichem, amplitudenmoduliertem Laserlicht angeregt wird.

Abhängig von der Temperaturleitfähigkeit der Probe in der Ebene lässt sich ein charakteristisches Verhalten der gemessenen Phasenverschiebung und Amplitude in Bezug auf den seitlichen Versatz zwischen Laser und Detektor beobachten.

Diese Methodik ermöglicht es, die komplizierte Beziehung zwischen Wärmeleitfähigkeit und Diffusionsfähigkeit aufzuklären, was zu Erkenntnissen führt, die erhebliche Auswirkungen auf die Materialwissenschaft haben können.

Durch präzise Messungen in der Ebene können thermische Engpässe identifiziert und optimale Konstruktionslösungen ermittelt werden, um die Leistung und Effizienz von Technologien, die auf anisotropen Materialien basieren, zu verbessern. Die Bewertung der Wärmeleitfähigkeit in der Ebene kann mit dem umfassenden Linseis-Softwarepaket durchgeführt werden, ohne dass weitere Eingabeparameter bekannt sind.

Anisothropie- und Inhomogenitätsanalyse

Die Wärmeleitfähigkeit des Materials kann richtungsabhängig sein. “In-plane” und “cross-plane” sind Begriffe, die zwei spezifische Transportrichtungen innerhalb eines Materials beschreiben. Während “in-plane” eigentlich bedeutet, dass die Probe senkrecht zur Anregungsrichtung steht, bezieht sich der Begriff “cross-plane” auf die Wärmeleitfähigkeit der Probe in der Anregungsrichtung.

Die Wärmeleitfähigkeiten quer zur Ebene und in der Ebene können sich erheblich voneinander unterscheiden und leicht mehrere Größenordnungen übersteigen.

Die Anwendungsfälle sind vielfältig, und das Wissen darüber kann in verschiedenen Anwendungen wie elektronischen Geräten, bei denen das Wärmemanagement eine allgegenwärtige Herausforderung darstellt, von entscheidender Bedeutung sein.

Je nach Probe kann die Zusammensetzung innerhalb der Probe leicht variieren.

Dies ist normalerweise bei Gelen, Pasten und Polymeren der Fall, so dass sich diese Änderung auch in der Wärmeleitfähigkeit niederschlägt.

Standard-LFA-Geräte ignorieren diese Tatsache normalerweise und betrachten die gesamte Probe auf einmal, während sie durch den Lichtimpuls erhitzt wird. Bei Interesse an diesen Unterschieden kommt unsere PLH-Technik zum Einsatz.

Im Gegensatz zum Laserblitzverfahren wird die Probe nur lokal erhitzt, und Sie können die Probe auf Inhomogenitäten prüfen.

Schwankungen in der Wärmeleitfähigkeit können zu Hot Spots führen, die die Leistung und Lebensdauer von elektronischen Geräten beeinträchtigen.

Die Sicherstellung einer homogenen Wärmeleitfähigkeitsverteilung ist entscheidend für ein effektives Wärmemanagement und die Vermeidung von Überhitzung.

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Spezifikationen

Modell PLH
Temperaturbereich: RT bis 300°C
Aufheizrate: 0,01 bis 20 °C/min
Probenabmessungen: Ø 3, 6, 10, 12,7 oder 25,4 mm
Quadratische 5×5, 10×10 oder 20×20 mm
Probenstärke: 10 – 500 μm
Probenroboter: Roboter mit 3 oder 6 Proben
Laserquelle: CW-Diodenlaser bis zu 5 W
Wellenlänge: 450 nm
Thermische Diffusivität: 0,01 bis 2000 mm²/s (abhängig von der Dicke)
Genauigkeit: ±5%
Wiederholbarkeit: ±5%
Grundfläche: 550 x 600 x 680 mm
21,6 x 23,6 x 26,7 Zoll

ASTM-Normen LFA: ASTM E-1461, DIN 30905 und DIN EN 821
ASTM-Normen PLH: JIS R 7240:2018 & ISO: 20007:2017

Kombinationslösung LFA + PLH

Temperaturbereich: RT bis 300 °C, 500 °C, 1000 °C, 1250 °C, 1600 °C
Probenabmessungen: Ø 3, 6, 10, 12,7 oder 25,4 mm
Quadrat 5×5, 10×10 oder 20×20 mm
Beispielroboter: Karussell mit 3 oder 6 Proben
Probendicke: 10 bis 6000 μm
Wärmedurchlässigkeit: von 0,01 bis 2000 mm2/s (dickenabhängig)
Genauigkeit: ±5%
Reproduzierbarkeit: ±5%

Probenhalter und -träger

Durchgehend unveränderte Probe

Höchster Durchsatz auf dem Markt. Die Kombination aus Probenroboter und integriertem Ofen ermöglicht unübertroffene Durchlaufzeiten und vollautomatische Messungen für bis zu 3 oder 6 Proben. Je nach Probenanforderung sind verschiedene Probenhaltergeometrien und Materialien verfügbar.

Musterträger

6 Proben rund oder quadratisch
3 mm, 6 mm, 10 mm oder 12,7 mm

3 Proben rund
25,4 mm oder quadratisch 20 mm

Probenhalter

Probenhalter quadratisch
Proben 3x3mm / 10x10mm / 20x20mm

Probenhalter rund
Proben 3mm / 10mm / 12,7mm / 25,4mm

Software

Allgemein

      • Neues Design mit verbesserter Benutzerfreundlichkeit
      • Reaktionsschnelle und anpassbare Software
      • Direkter Link zum Online-Support
      • Periodische Online-Software-Updates
      • Live-Auswertung sowie Nachbearbeitung/Auswertung
      • Fortgeschrittene Speicherkonzepte
      • Datenexport und -import in ASCII
      • Multimethodenmessungen (LFA, PLH)
      • Datenexport und -import im ASCII-Format
      • Kundenindividuelle Berichterstellung
      • Gerät Plug & Play
      • Einfache Firmware-Updates
      • Intelligente Fehlerbehandlung
      • Geräteanschluss über USB oder LAN
      • Plausibilitätsprüfungen vor der Messung

Auswertungssoftware

  • Design-Update
  • Verbesserte Benutzerfreundlichkeit und Flexibilität
  • Python-Schnittstelle für eigene Plugins
  • Kombinieren von Kurven aus verschiedenen Quellen/Messgeräten

Messsoftware

  • Einfache und benutzerfreundliche Dateneingabe für Temperatur
  • Voll automatisierter Messablauf für Mehrprobenmessungen
  • Spezifische Wärme- und Wärmeleitfähigkeitsmessroutine (Referenz erforderlich)

 

Applikationen

Applikation: Polytetrafluorethylen (PTFE) 100 μm
Applikation: Saphir 500 μm

Für Polytetrafluorethylen (PTFE) – eine dünne Polymerfolie – besser bekannt als Teflon, beträgt der Referenzwert für die Temperaturleitfähigkeit von PTFE 0,11 mm²/s. Teflon wird als Beschichtung für Pfannen verwendet, damit Lebensmittel nicht an der Pfanne haften bleiben und sie sich leicht reinigen lässt. Die Dicke dieser Beschichtungen schwankt zwischen 30 μm und 150 μm.

Measurement Polytetrafluoroethylene

Saphir gehört zur Kategorie der keramischen Werkstoffe und hat einen Referenzwert für den Wärmedurchgangskoeffizienten von 13,3 mm²/s. Unsere Messungen bestätigen diesen Wert für die Temperaturleitfähigkeit mit hoher Genauigkeit. Aufgrund seiner hervorragenden thermischen und optischen Eigenschaften wird er in der Mikroelektronik häufig für Lasertechnologien und LEDs verwendet.

Measurement Sapphire

Applikation: Kupfer 500 μm
Applikation: Reproduzierbarkeit von PTFE 100 μm

Kupferfolien, insbesondere solche mit einer Dicke von 560 μm, werden in der Elektronikindustrie häufig als Wärmespreizer verwendet. Sie spielen eine entscheidende Rolle bei der Wärmeableitung in elektronischen Bauteilen, indem sie für eine effiziente Wärmeverteilung sorgen, was die Leistung und Langlebigkeit der Geräte verbessert. Ihre Anwendungen reichen von alltäglichen Geräten wie Smartphones und Laptops bis hin zu anspruchsvollen Luft- und Raumfahrtsystemen. Der Referenzwert für diese Probe beträgt 117 mm²/s.

Measurement Copper

Die Wiederholbarkeit einer Polytetrafluorethylen-Messung mit einer Dicke von 105,6 μm ist mit knapp über 1 % hervorragend. Dies bestätigt die Messmethode und ihre hohe Leistungsfähigkeit.

Repeatability PTFE

Downloads

Übersicht

Periodic Laser Heating Produktbroschüre (PDF)

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Linseis Produktbroschüre Thermal Conductivity

LFA, TF-LFA, TFA, THB, PLH, HFM, TIM-Tester
Produktbroschüre
(PDF)

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