JP2529851B2 - 高熱伝導性薄板の熱拡散率測定方法およびその装置 - Google Patents

高熱伝導性薄板の熱拡散率測定方法およびその装置

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JP2529851B2 JP62128043A JP12804387A JP2529851B2 JP 2529851 B2 JP2529851 B2 JP 2529851B2 JP 62128043 A JP62128043 A JP 62128043A JP 12804387 A JP12804387 A JP 12804387A JP 2529851 B2 JP2529851 B2 JP 2529851B2
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Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 この発明は高熱伝導性薄板の熱拡散率測定方法および
その装置に関する。
従来の技術 通常、熱拡散率測定をするためのフラッシュ法たとえ
ばレーザーフラッシュ法では、厚み一定で所定温度に保
持された試料に一様なエネルギーを瞬時照射して、瞬時
に熱に変換する。そして試料に吸収された熱による試料
の裏面温度の変化を赤外線検出器などにより測定して、
求められた温度上昇曲線の特性値(ハーフタイム:t1/
2)を求める。
試料厚さをLとすると熱拡散率αは、α=0.1388・L2
/t1/2で与えられる。本方法はレーザーフラッシュ法で
最も一般的な測定法となっている。(例えば、高橋洋一
著:熱物性1[1]1987,3-12に記載) ところが、後述するように、この方法では薄板試料に
対応できないので薄板試料に対する測定法が工夫された
が、理論曲線との一致も難しく、比較法に依らざるを得
ないなど問題点もあり一般化しているとは言えない。
(安積忠彦、岸証:第6回熱物性シンポジウム,1985,20
1-204) 発明が解決しようとする問題点 一般的な従来の測定方法では、試料厚み方向の熱伝導
を測定に利用しているため、高熱伝導性の薄板試料では
裏面への熱伝導がはやすぎて必要な測定データが得られ
ず熱拡散率が求まらない。
また少しでも試料に光透過性があると、試料を透過し
た光、あるいは散乱した光が検出器に直接入射して正常
な温度上昇曲線が得られない。
本願の発明は、上述した問題点を解決するためになさ
れたものであり、従来測定不可能である熱拡散率測定が
でき、しかも、たとえ透光性の薄板であっても測定に影
響を与えない高熱伝導性薄板の熱拡散率測定方法及びそ
の装置を提供することを目的としている。
問題点を解決するための手段 本願の第1発明は、高熱伝導性薄板の一部領域に断面
円形状のフラッシュ光を照射し、少くともこの照射領域
もしくはこの照射領域に対応する高熱伝導性薄板の少く
とも裏面領域を検出器から遮閉し、この遮閉領域より外
側の、前記フラッシュ光と同心の円環状温度変化領域の
熱を前記検出器で検出することを特徴とする高熱伝導性
薄板の熱拡散率測定方法特許請求の範囲第1項を要旨と
している。
本願の第2発明は、高熱伝導性薄板にフラッシュ光を
照射するフラッシュ光発生源と、前記フラッシュ光発生
源と前記高熱伝導性薄板の間に設けられて高熱伝導性薄
板の一部領域に断面円形状のフラッシュ光を当てるよう
に断面円形状の孔を有する第1遮閉手段と、少くともこ
の照射領域もしくはこの照射領域に対応する高熱伝導性
薄板の少くとも裏面領域を遮閉する第2遮閉手段と、前
記第2遮閉手段により前記照射領域もしくは裏面領域か
ら遮閉された検出器を備え、前記第2遮閉手段が、前記
第1遮閉手段の孔と同心の円形であり、かつ前記遮閉領
域より外側の円環状温度変化領域に対応しており、前記
検出器が前記第2遮閉手段により遮閉された遮閉領域よ
り外側の範囲の温度変化領域に対応して配置されてその
温度を検出する構成にしたことを特徴とする高熱伝導性
薄板の熱拡散率測定装置を要旨としている。
作用 断面円形状のフラッシュ光は照射領域において熱に変
換し、薄板の試料面内に薄板の中心から同心円状にその
熱が拡がる。検出器は温度変化領域(検出領域)の熱を
検出する。たとえ薄板に透過性があったとしても、第2
遮閉手段はフラッシュ光の透過光やそれによる散乱光を
検出器には伝えない。つまり薄板の厚み方向の熱を検出
器には伝えないのである。
実施例 第1図を参照すると、この発明の測定方法において
は、高熱伝導性の薄板2の一部領域にフラッシュ光(図
示例では断面円形状のレーザフラッシュ光5)を照射
し、少くともこの照射領域7もしくはこの照射領域7に
対応する高熱伝導性の薄板2の少くとも裏面領域8を検
出器12から遮閉する。そして、この遮閉領域11より外側
の温度変化領域(実施例では検出領域13)の熱を前記検
出器12で検出する。
また、このような本発明方法を実施する本発明の測定
装置は、高熱伝導性の薄板2にフラッシュ光を照射する
フラッシュ光発生源3と、このフラッシュ光発生源3と
前記高熱伝導性の薄板2の間に設けられて高熱伝導性の
薄板2の一部領域(図示例では円形状の照射領域7)に
断面円形状のフラッシュ光5を当てる第1遮閉手段(図
示例では遮閉ジグ1)と、少くともこの照射領域7もし
くはこの照射領域7に対応する高熱伝導性薄板の少くと
も裏面領域8を遮閉する第2遮閉手段(実施例では遮閉
板10)と、前記第2遮閉手段により前記照射領域7もし
くは裏面領域8から遮閉された検出器12とを備えてい
る。検出器12は、第2遮閉手段により遮閉された遮閉領
域11より外側の範囲の温度変化領域(図示例では検出領
域13)に配置されてその温度を検出する。
以下、図示例をさらに詳細に説明する。
第1図はこの発明の測定装置の概念図である。遮閉ジ
グ1は、試料である高熱伝導性の円形状薄板2と、レー
ザフラッシュ光発生源3の間に位置している。この遮閉
ジグ1はたとえばステンレス製であり、中央に断面円形
状の通し孔4が形成されている。この通し孔4はたとえ
ば直径が3mmである。
レーザフラッシュ光発生源3は、たとえばルビーレー
ザ発振器を用いることができる。レーザフラッシュ光5
は前記通し孔4を通り薄板2の前面6側の一部領域に照
射する。この照射領域7ではレーザフラッシュ光5が瞬
時に熱に変わり吸収されるのである。
薄板2の裏面9における裏面領域8は、前記円形状の
照射領域7に対応している。この裏面領域8を含み、こ
の裏面領域8より広範囲の円形状の領域は、遮閉板10に
より遮閉されている。この遮閉板10は、たとえば直径が
4mmである。遮閉板10による遮閉領域11より外側の広範
囲の温度変化領域すなわち円環状の検出領域13の温度
は、遮閉板10の後方に配置された1つの検出器12、たと
えば赤外線検出器12で検出するようになっている。この
遮閉板10はたとえば厚紙である。
裏面領域8あるいは遮閉領域11を検出器12から遮閉板
10により遮閉することにより、遮閉領域11からの検出器
12への検出強度寄与をなくす。裏面領域8もしくは遮閉
領域11から熱を検出機12に伝えない。このことにより、
薄板2の厚み方向の熱伝達により温度上昇する裏面領域
8を遮閉できるとともに、薄板2が透光性である場合、
フラッシュ光の透過光と散乱光が検出器12への直接入射
するのを防止できる。
検出器12は、実際には円環状の検出領域13に対応して
おり、この検出領域13の温度変化を検出器12により測定
する。検出強度に寄与するのは検出領域13であり、裏面
領域8から(矢印で示す)面内方向を放射状に拡がる熱
を検出器12は効率よく検出できる。
前記薄板2は、たとえば直径10mm、厚さ0.5mmのAlN焼
結体であり、熱拡散率αを有している。
熱伝導率を測定する場合には、薄板2の前方に置いた
遮閉ジグ1により3mmのレーザフラッシュ光を薄板2に
入射させる。このときはレーザフラッシュ光を集光して
いるのでなく、単に一部分の光のみを通し穴4により通
しているのである。薄板2の後方に遮閉板10を置くこと
により、裏面9の円環状の検出領域13の温度上昇変化を
検出する。得られた温度上昇曲線(熱履歴曲線)からそ
の特性値(ハーフタイム;t1/2)を求め、熱拡散率αの
逆数に対してプロットしたのが第2図である。このハー
フタイムt1/2は薄板2の熱拡散率αと一定の直線的関係
をもつ。
第2図において、黒丸印の薄板はAlNに10重量%のY2O
3を加えた焼結体基板である。また白い三角印の薄板
は、AlNに1重量%のY2O3を加えた焼結体基板である。
さらに黒い三角印の薄板は、AlNに5重量%のY2O3を加
えた焼結体基板である。さらに4角印の薄板は、AlNに
5重量%のYF3を加えた焼結体基板である。一定の測定
条件下では、検量線を引くことは容易であり、他試料の
薄板をこの条件下で測定すれば熱拡散率αを既知検量線
から求めることができる。
いずれにしても1mm以下の薄いIC用のAlN基板などの高
熱伝導性の薄板の熱拡散率αを測定することが可能とな
る。
またこの発明の測定装置では、レーザフラッシュ光発
生源を用いても、このフラッシュ光をレンズ系を用いて
絞るのでなく、単に第1遮閉部材で一部領域にフラッシ
ュ光を当てるので、レーザフラッシュ光のエネルギ密度
が大きくすることがなく、薄板試料に損傷をより小さく
することができる。
ところでこの発明は上述の実施例に限定されない。た
とえば、検出器12と初期吸熱部である照射領域7が薄板
2の表裏に分かれて配置されている。これを同一面(た
とえば表面6)で行なえるよう工夫をすれば、検出感度
の向上が可能となるとともに、試料厚さの影響を小さく
できる。また基材上の薄膜側に入射面をとれば、薄膜に
対する測定に応用できる。この場合、第2遮閉手段であ
る遮閉板は、少くとも照射領域7を円環状に配置された
検出器12から遮閉するのである。
また、2次元温度分布計測装置(サーモグラフィとテ
レビション)とこの発明の装置とを組み合わせることも
できる。レーザフラッシュ光などにより与えられた熱は
基板上を同心円状に拡散するが、クラックやホールなど
の欠陥部では、理想的な温度分布に対し、乱れを生じる
ことが予想され、このことを逆に利用して、品質管理、
非破壊検査をライン上で行なえる。
発明の効果 以上の説明から明らかなように、この発明によれば、
少くとも照射領域もしくは照射領域に対応する薄板の少
くとも裏面領域を検出器から遮閉し、薄板の面内の熱伝
達を利用している。
これにより、たとえば厚みが1mm程度かそれ以下の薄
板試料の中心から同心円状に比較的時間をかけて拡がる
熱を、従来の薄板試料の厚み方向への熱拡がりを測定す
るのに比べて、温度変化領域(検出領域)で有効に捉え
て熱伝導率の測定ができる。
検出器側の第2遮閉手段は、たとえ薄板試料が光透過
性があっても、フラッシュ透過光や散乱光が検出器に直
接入射するのを防ぐので、正常な測定ができる。
とくに円形状のフラッシュ光を入射し、そこから伝播
する熱を同心の円環状領域で測定する構成を採ることに
より、温度測定領域の面積を広くすることができるの
で、検出器の感度を向上することができ、正確な熱拡散
率を測定することができる。また、面内での完全な拡散
による熱の電播を測定できる。
【図面の簡単な説明】
第1図はこの発明による高熱伝導性薄板の熱拡散率測定
装置の概念図、第2図はハーフタイムと熱拡散率αの逆
数との関係を示す図である。 1……遮閉ジグ 2……薄板 3……レーザフラッシュ光発生源 4……通し孔 5……レーザフラッシュ光 6……表面 7……照射領域 8……裏面領域 9……裏面 10……遮閉板 11……遮閉領域 12……検出器 13……検出領域
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 山本 勝弘 秦野市曽屋30 東芝セラミックス株式会 社中央研究所内 (56)参考文献 特開 昭62−50652(JP,A)

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】高熱伝導性薄板の一部領域に断面円形状の
    フラッシュ光を照射し、少くともこの照射領域もしくは
    この照射領域に対応する高熱伝導性薄板の少くとも裏面
    領域を検出器から遮閉し、この遮閉領域より外側の、前
    記フラッシュ光と同心の円環状温度変化領域の熱を前記
    検出器で検出することを特徴とする高熱伝導性薄板の熱
    拡散率測定方法。
  2. 【請求項2】高熱伝導性薄板にフラッシュ光を照射する
    フラッシュ光発生源と、 前記フラッシュ光発生源と前記高熱伝導性薄板の間に設
    けられて高熱伝導性薄板の一部領域に断面円形状のフラ
    ッシュ光を当てるように断面円形状の孔を有する第1遮
    閉手段と、 少くともこの照射領域もしくはこの照射領域に対応する
    高熱伝導性薄板の少くとも裏面領域を遮閉する第2遮閉
    手段と、 前記第2遮閉手段により前記照射領域もしくは裏面領域
    から遮閉された検出器を備え、 前記第2遮閉手段が、前記第1遮閉手段の孔と同心の円
    形であり、かつ前記遮閉領域より外側の円環状温度変化
    領域に対応しており、前記検出器が前記第2遮閉手段に
    より遮閉された遮閉領域より外側の範囲の温度変化領域
    に対応して配置されてその温度を検出する構成にしたこ
    とを特徴とする高熱伝導性薄板の熱拡散率測定装置。
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