TY - THES

T1 - Entwicklung eines Messverfahrens zur Bestimmung der Wärmeleitfähigkeit von plattenförmigen Proben mittels Lock-in-Thermografie

AU - Pulm, Peter

N1 - gesperrt bis null

PY - 2011

Y1 - 2011

N2 - Viele elektrokeramische Bauteile werden als Schichtverbundsysteme mit dicken keramischen und dünnen metallischen Schichten hergestellt und weisen daher eine plattenförmige Geometrie auf. Auf Grund des in der Elektronikindustrie anhaltenden Trends zur Bauteilminiaturisierung und damit einhergehender hoher Packungsdichte ist die Kenntnis der (integralen) Wärmeleitfähigkeit (bzw. der Temperaturleitfähigkeit) wichtig, um den Wärmetransport durch die Bauteile zu ermitteln und „thermal management“ zu ermöglichen. Etablierte Messverfahren, wie etwa die Laser-flash-Methode, eignen sich für diesen Zweck nur bedingt, da der Anwendungsbereich in der Regel auf Bauteildicken von größer 2 mm und einfache Geometrien beschränkt ist. Desweiteren sind die meisten etablierten Verfahren zur Messung der Wärmeleitfähigkeit sog. Ein-Punkt-Messverfahren, d.h. die Wärmeleitfähigkeit wird lediglich an einem Punkt der Probe bestimmt. Gerade aber bei oben erwähnten Anwendungen wäre es notwendig, die Wärmeleitfähigkeit ortsaufgelöst an jedem Punkt eines Bauteiles messen zu können. Da eine hierfür geeignete rasche und kostengünstige Messtechnik zur Ermittlung der Wärmeleitfähigkeit zur Zeit fehlt, wird mit dieser Diplomarbeit der Aufbau einer solchen Methodik angestrebt. Zur Durchführung wurde ein photothermaler Messansatz mit Verwendung Lock-in-thermographischer Methoden verfolgt. Die physikalische Modellierung des Versuchsaufbaus erfolgte mittels des Modells der thermischen Diffusionswelle, welches um die Berücksichtigung plattenförmiger Geometrie und konvektiver Wärmeverluste nach [Bai01] erweitert und theoretisch studiert wurde. Dabei wurde das Prinzip des sog. „phase lag“-Verfahrens zur Messung der Wärmeleitfähigkeit verfolgt. Durch eine sinusförmig modulierbare Wärmequelle wurde auf einer Seite einer plattenförmigen Probe eine thermische Diffusionswelle induziert. Auf der anderen Seite der Probe wurde mittels Lock-in-Thermographie die Phasenverschiebung der ankommenden thermischen Diffusionswelle relativ zur Wärmequelle gemessen und daraus in der Folge die Wärmeleitfähigkeit bestimmt [Alm96]. Nach ersten Probemessungen konnte mit Hilfe des theoretischen Modells der Anwendungsbereich des Verfahrens prognostiziert werden. Dabei stellte sich heraus, dass der verfolgte Messansatz zur Wärmeleitfähigkeitsmessung von Bariumtitanat, welches für die Herstellung von PTC-Elektrokeramiken verwendet wird, gut geeignet ist. Nach Aufbau des Messstandes konnte in praktischen Versuchsreihen die Wärmeleitfähigkeit von BaTi03 mit einer Genauigkeit bis zu 0,2 W/(mK) bestimmt werden. Somit liegt der Messaufbau innerhalb des Genauigkeitsbereiches des Laser-flash-Verfahrens. Weitere Verbesserungen der Genauigkeit sind vor allem durch Korrekturen am theoretischen Modell, wie die Berücksichtigung dreidimensionaler Wärmeflüsse, weitere Referenzmessungen und eine direkt digital modulierbare Wärmequelle möglich.

AB - Viele elektrokeramische Bauteile werden als Schichtverbundsysteme mit dicken keramischen und dünnen metallischen Schichten hergestellt und weisen daher eine plattenförmige Geometrie auf. Auf Grund des in der Elektronikindustrie anhaltenden Trends zur Bauteilminiaturisierung und damit einhergehender hoher Packungsdichte ist die Kenntnis der (integralen) Wärmeleitfähigkeit (bzw. der Temperaturleitfähigkeit) wichtig, um den Wärmetransport durch die Bauteile zu ermitteln und „thermal management“ zu ermöglichen. Etablierte Messverfahren, wie etwa die Laser-flash-Methode, eignen sich für diesen Zweck nur bedingt, da der Anwendungsbereich in der Regel auf Bauteildicken von größer 2 mm und einfache Geometrien beschränkt ist. Desweiteren sind die meisten etablierten Verfahren zur Messung der Wärmeleitfähigkeit sog. Ein-Punkt-Messverfahren, d.h. die Wärmeleitfähigkeit wird lediglich an einem Punkt der Probe bestimmt. Gerade aber bei oben erwähnten Anwendungen wäre es notwendig, die Wärmeleitfähigkeit ortsaufgelöst an jedem Punkt eines Bauteiles messen zu können. Da eine hierfür geeignete rasche und kostengünstige Messtechnik zur Ermittlung der Wärmeleitfähigkeit zur Zeit fehlt, wird mit dieser Diplomarbeit der Aufbau einer solchen Methodik angestrebt. Zur Durchführung wurde ein photothermaler Messansatz mit Verwendung Lock-in-thermographischer Methoden verfolgt. Die physikalische Modellierung des Versuchsaufbaus erfolgte mittels des Modells der thermischen Diffusionswelle, welches um die Berücksichtigung plattenförmiger Geometrie und konvektiver Wärmeverluste nach [Bai01] erweitert und theoretisch studiert wurde. Dabei wurde das Prinzip des sog. „phase lag“-Verfahrens zur Messung der Wärmeleitfähigkeit verfolgt. Durch eine sinusförmig modulierbare Wärmequelle wurde auf einer Seite einer plattenförmigen Probe eine thermische Diffusionswelle induziert. Auf der anderen Seite der Probe wurde mittels Lock-in-Thermographie die Phasenverschiebung der ankommenden thermischen Diffusionswelle relativ zur Wärmequelle gemessen und daraus in der Folge die Wärmeleitfähigkeit bestimmt [Alm96]. Nach ersten Probemessungen konnte mit Hilfe des theoretischen Modells der Anwendungsbereich des Verfahrens prognostiziert werden. Dabei stellte sich heraus, dass der verfolgte Messansatz zur Wärmeleitfähigkeitsmessung von Bariumtitanat, welches für die Herstellung von PTC-Elektrokeramiken verwendet wird, gut geeignet ist. Nach Aufbau des Messstandes konnte in praktischen Versuchsreihen die Wärmeleitfähigkeit von BaTi03 mit einer Genauigkeit bis zu 0,2 W/(mK) bestimmt werden. Somit liegt der Messaufbau innerhalb des Genauigkeitsbereiches des Laser-flash-Verfahrens. Weitere Verbesserungen der Genauigkeit sind vor allem durch Korrekturen am theoretischen Modell, wie die Berücksichtigung dreidimensionaler Wärmeflüsse, weitere Referenzmessungen und eine direkt digital modulierbare Wärmequelle möglich.

KW - Thermographie

KW - Thermografie

KW - Wärmeleitfähigkeit

KW - Messverfahren

KW - Messung

KW - Lock-in

KW - thermography

KW - thermal conductivity

KW - heat conductivity

KW - lock-in

KW - measurement methods

KW - measuring

M3 - Diplomarbeit

ER -