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Test equipment for material tests on thermally conductive pastes: microscopy and laser-induced breakdown spectroscopy (LIBS)

I have already written in detail about the determination of thermal resistance and thermal conductivity, but of course I also have to explain the second part of the measurements transparently, because I am not doing these measurements for their own sake, but for a good reason. The microscopy, material testing and measurement of the pastes and pads is carried out by my Keyence VHX 7100 together with the EA-300 as the analysis unit. This enables both precise measurements and quite accurate mass determinations of the chemical elements.

But how does it actually work? The laser-induced breakdown spectroscopy (LIBS) I used for this article is a type of atomic emission spectroscopy in which a pulsed laser is directed at a sample in order to vaporize a small part of it and thus generate a plasma. The emitted radiation from this plasma is then analyzed to determine the elemental composition of the sample. LIBS has many advantages over other analytical techniques. Since only a tiny amount of the sample is needed for analysis, the damage to the sample is minimal. This relatively new laser technique generally requires no special preparation of samples for material analysis. Even solids, liquids and gases can be analyzed directly.

LIBS can detect multiple elements simultaneously in a sample and can be used for a variety of samples, including biological, metallic, mineral and other materials. And you get true real-time analysis, which is a huge time saver. As LIBS generally requires no consumables or hazardous reagents, it is also a relatively safe technique that does not require a vacuum as with SEM EDX. As with any analytical technique, there are of course certain limitations and challenges with LIBS, but in many of my applications, especially where speed, versatility and minimally invasive sampling are an advantage, it offers distinct advantages.

I would first like to point out that the results of the percentages in the overviews and tables have been intentionally rounded to full percentages (wt%, i.e. weight percent), as it happens often enough that production variations can occur even within what is presumably the same material. Analyses in the parts-per-thousand range are nice, but today they are not useful when it comes to reliable evaluation and not trace elements. However, every day in the laboratory starts with the same procedure, because when I start, I work through a checklist that I have drawn up. This takes up to 30 minutes each time, although I have to wait for the laser to warm up and the room to reach the right temperature anyway. Of course, the energy supplier is happy.

  • Mechanical calibration of the X/Y table and the camera alignment (e.g. for stitching)
  • White balance of the camera for all lighting fixtures used (microscopy)
  • Check alignment of LIBS optics and standard objective, calibrate alignment of laser to own optics (x300)
  • Test standard samples of the materials to be measured and correct the curve if necessary (see image above)

I will leave the theory at that, because we are waiting for the measurements. For the very curious, here is the product description:

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pinkymee

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@Igor Wallossek ich lese Deine Artikel wahnsinnig gern am frühen Morgen. Spannend, informativ und investigativ. Zudem verständlich für alle, die kein Diplom haben ;) Und ich finde, man kann hier jeden Tag etwas Neues lernen :D

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DigitalBlizzard

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Jap, vor allem mal was ganz anderes als "Guck mal was wir neues tolles bekommen haben, und wie toll das ist, müsst ihr sofort kaufen!" Und das dann auf 5-10 einschlägigen Seiten quasi gleichzeitig.

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eastcoast_pete

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1,830 Kommentare 1,142 Likes

Das Keyence ist schon ein sehr beeindruckendes Gerät, LIBS allgemein ein großer Fortschritt in der Materialanalyse. Denn bis es sowas gab (noch nicht so lange!) war die Alternative eigentlich nur Massenspektrometrie, mit dem ganzen Aufwand (Vakuum!) der da anfällt. Und dann konnte man im Normalfall auch nur Proben messen, die man vorher präparieren musste, damit man das Analyt in die Gasphase bringen konnte, denn Massenspektrometrie funktioniert ja nur, wenn die Ionen fliegen können. Und, man konnte erstmal nicht sehen, wo genau die Probe her kam. Zwar gab es ein Massenspektrometer mit Mikroskop und Laser Ionisation, das LAMMA (laser microprobe mass analyzer, erfunden von Franz Hillenkamp) hieß. Das war (ist) teuer in der Anschaffung und im Betrieb, und daher selten. Ich durfte mal so eins bestaunen und auch auf den Knopf drücken (Laser), aber wirklich bedienen durften wir Studis das nicht 😀. Das Keyence LIBS das @Igor Wallossek hier hat ist dann die neue, praktikablere Alternative dazu. Schon ein tolles Gerät, und, soweit ich weiß, das einzige, daß von einem unabhängigen Labor in dem Bereich (Pasten, Pads usw) eingesetzt wird. Außerdem wäre es ziemlich schwierig, Pasten im Hochvakuum zu messen, denn Silikonöle verdampfen da ziemlich schnell und heftig.

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Igor Wallossek

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Exakt das. Man musste fürs REM+EDX immer erst alles mühsam mit Xylol rauswaschen, weil die Paste im Vakuum quasi explodiert. Oder man nimmt einen Tiefsttemperaturtisch und friert die Paste vorher ein. Wenn man denn überhaupt einen hat. Aber allein die Untersuchung nur einer Paste am Gemini + Oxford kostet einen mit Vorbereitung und anschließender Reinigung mehrere Stunden. Das ist komplett unmöglich zu lösen, weil der Aufwand den Nutzen übersteigt. Außerdem gehen viele Informationen verloren.

Das bitte nie wieder :D

Ich glaube sogar, Keyence waren die ersten, die ein hochauflösendes Digtamikroskop mit LIBS kombiniert haben. Die AE-300 war, als ich sie gekauft habe, noch nicht mal weltweit verfügbar und ich hatte Glück, dass ich da quasi eine abbekommen habe. Eigentlich bin ich auch sowas, wie ein Technik-Influenzer, auch beim TIMA. Nur dass ich mir das Equipment leider selbst kaufen muss. Da darf man dann auch nicht mehr übers Geld nachdenken. Aber bereut habe ich es bis heute nicht :D

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eastcoast_pete

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1,830 Kommentare 1,142 Likes

Wenn Keyence jetzt auch wegen Deiner Arbeit und den Artikeln das ein oder andere LIBS System verkaufen oder vermieten kann, wär es schön, wenn sie sich mit zB freier Wartung für die nächsten Jahre erkenntlich zeigen.
Allgemein ist Keyence ja ein Vorzeige Unternehmen für Hochtechnologie Made in Japan. Haben u.a. auch einigen vormaligen Platzhirschen im Mikroskopie Bereich (Nikon, Olympus) einiges an Marktanteilen abgenommen.

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Igor Wallossek

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Keyence ist nicht wirklich spenadabel, aber der Service stimmt einigermaßen. Laser war defekt, es gab eine Austauscheinheit und meine wurde bis nach Japan zur Analyse und Reparatur geschickt. Was den Geiz betrifft: die Austauscheinheit, immerhin 25 Kilo versicherter Versand mit UPS, musste ich selbst und auf meine Kosten verschicken, trotz anerkannter RMA. Also Kulanz definiere ich anders. Das kann Zeiss deutlich besser.

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8j0ern

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2,983 Kommentare 976 Likes

Zeiss ist aber auch eine bekannte Größe in der Messindustrie.
Eine 1" Kugel mit unseren Anforderungen zu vermessen in 3D, bekommt hier in der EU irgendwie kein Labor hin.

Die müssen wir aus der USA anliefern lassen, weil sie nur dort das Equipment haben.

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About the author

Igor Wallossek

Editor-in-chief and name-giver of igor'sLAB as the content successor of Tom's Hardware Germany, whose license was returned in June 2019 in order to better meet the qualitative demands of web content and challenges of new media such as YouTube with its own channel.

Computer nerd since 1983, audio freak since 1979 and pretty much open to anything with a plug or battery for over 50 years.

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