金刚石材料散热

1、金刚石散热材料 同组人：陈强 高亚飞 李其龙 王君 田金星 陈旭锋 logo 随着科技的不断发展，越来越多的大功率电器和 大功率微电子元件逐渐出现，这就面临着一个器 件产生热量过大，普通的散热材料已经不能够很 好地解决散热问题，新型材料的研究和发展成了 一个必须和急需的问题。 散热材料的研究 1 新型散热材料导热塑料 现代制造, 2002年11期， 期刊 2 新一代散热材料具有柔软性和高导热 性的有机硅弹性体 橡胶参考资料, 2000年07期， 期刊 导热塑料散热器陶瓷散热片 面对传统封装材料的各种限制，发展出来种各样 的新型散热材料，它们具有低热膨胀率，超高热 导率，及很轻的质量。金刚石作为

2、上述材料的代 表，其超高的热导率，及其优异的力学、光学、 声学、电学和化学性质，使其在高功率光电器件 散热的问题上的优势明显优于其他材料。 为什么金刚石可以作为一种优良的散热材料？ 一、金刚石的导热率 二、金刚石膜散热的测定 一、金刚石的导热率 人们常说金刚石的导热率是铜的五倍。其实有各种类型的金刚石，如a、b、a、b 型等，对于型的金刚石是通过金刚石的紫外和红外吸收光谱的不同来区分的，而a、b 类是通过电子顺磁共振吸收的不同来区分的，不同类型的金刚石其导热率也不同，就是同 一类金刚石的导热率也不一定相同。金刚石的导热率与其内部结构的完整性和所含杂质的 种类和含量有关，在不同温度下同一类金刚石

3、的导热率不一样，从表一可以看出。 金刚石的导热率不是固定的，有一个变化的范围，作为金刚石散热片的主要是 a型的单晶金刚石和热导率符合要求的多晶金刚石，a型金刚石的热导率，在 液态空气温度下，比铜高25倍，在室温下，比铜高5倍。在200时，比铜高3倍。 二、金刚石膜散热的测定 为了研究金刚石膜优异的散热性质，基于其本身具有的高导热性和薄膜状结构， 提出了金刚石对小空间大热流密度元件进行散热的试验方案：加热器模拟一个 小尺寸高功率的发热元件，假设受到空间尺寸的限制，热管无法与该元件直接 相连。在此情况下，金刚石可作为一个散热路径，首先在金刚石膜的受热端将 热从小空间导出，避免其局部产生过热，进而在

4、其散热端用热管将热导走，从 而避免发热元件局部过热。实验采取对比方式，对比材料选择传统材料中导热 率较高的铜，同时在实验过程中寻找金刚石膜在实际应用中可能出现的问题。 金刚石膜散热实验系统包括：热载荷控制台、实验台和数据采集系统。热 载荷的大小由四路电源控制，图一为实验台和数据采集系统实物图，实验台包 括高热流密度加热器、实验件、矩形热管和冷凝器；数据采集系统包括温度传 感器和数据采集仪构成的数据采集模块，以及装有数据记录和处理软件的计算 机。 图二，实验原理示意图，热量由加热器产生，首先传到实验件，经过试验 件扩散，进入导热管蒸发段，经传递至热管冷凝端散热，最终流入周围环境。 实验结果：加热

5、器与实验件之间存在着接触热阻，根据热阻定义： 经计算可得，铜工况下的平均接触热阻为0.234K/W;金刚石膜工况下的平均接触 热阻为0.235K/W，误差为0.43%，因此，保持实验的其他参数不变，在相同加 热功率的情况下，可认为二者在同一工况下进行，实验结果还是有可比性的。 实验结果如图： 通过两种材料的对比分析，可以明显看出，金刚石膜表面温度分布均匀，提 供了一条很好的散热路径，使热量能够迅速导出，从而降低加热面温度。在给定 加热面上限制的条件下，金刚石膜的最大加热功率大于铜，因此，金刚石膜能过 更好的解决小空间高热流密度热源的问题。 针对金刚石的贵重，金刚石散 热材料有什么实际的可行性?

6、 天然金刚石是在地下深处的超高压、超高温条件下 形成的, 储量极少, 价格极其昂贵。因此, 要满足工业上 的需要, 只有采用人工合成的方法生产。人工合成的方 法分为高温高压法和低温低压气相沉积法, 高温高压法 投资大, 生产费用高, 技术难度大,合成的金刚石粒度大都在1mm以下。例如静压法生产的金 刚石是b型, 属型金刚石。这类金刚石的质量并不好。因为不管是国内还是国外所采用 的生产金刚石的工艺技术并不先进, 生产的金刚石晶体的内部结构有很多缺陷, 金属包裹物 很多, 而导热性能对结构缺陷很敏感, 因此, 这类金刚石的导热性不可能很好。 目前生产的人造金刚石的某些性能还不及天然金刚石, 但人工

7、制造金刚石的方法也有其 优势。低压气相法合成的金刚石薄膜具有与天然立方金刚石完全相同的结构, 也具有与颗 粒状金刚石完全相同的性能。由于低温等离子体化学气相沉积可以很经济地在各种衬底上 沉积出直径达10cm, 厚度几mm的多晶金刚石薄片, 其他形状( 如小直径的圆杆和薄的楔子) 也可以用CVD法沉积出来。并且，a型金刚石、同位素纯型金刚石早已在实践中产生, 它 们有优异的导热性能。而在自然界a型金刚石并不多见, 而同位素纯型金刚石则没有。在 生产a型金刚石方面进行探索是很有意义的。在目前条件下完全可以生长这类金刚石。 高质量金刚石单晶原料问题解决以后, 再解决多晶金刚石因烧结而导致的导热性降低

8、的问 题并不困难。所以金刚石散热材料还是有很大的可行性和前景。 亓曾笃. 人造金刚石散热材料J. 超硬材料工程,2006,02:42-43. 文章编号：1006852xC2005)06一002704 CVD金刚石改善3DMCM散热性能分析+ 谢扩军蒋长顺徐建华 (电子科技大学物理电子学院，四川成都610054) 摘要在3DMcM(多芯片组件)封装设计中，大功率和高热流密度导 致系统的散热成为关键技术之一。本文采用高导热率的金融石封 装材料建市了一种霍层多芯片组件结构，应用ANsYs软件和计算流 体动力学方法(cFD)，对cVD(化学气相沉积)金刚石基板的三维多芯 片结构进行了热性能分析，模拟了

9、器件在强制空气冷却条件下的热 传递过程和温度分布，探讨了各种设计参数和物性参数对3DMcM 器件温度场的影响。结果显示金刚石基板应用在多芯片组件中能显 著地改善3DMcM封装的散热性能，明显优于氮化铝基板；在强制 空冷时散热功率可达到120w。 关键词cVD金刚石；热沉；3DMcM；封装；热性能 中图分类号TQl64 文献标识码A 金刚石作为散热材料的应用 文章编号：10013679(2013)040507一05 金刚石颗粒增强铜基散热材料的研究进展 康林萍，魏仕勇，陈志宝 (江西省科学院铜钨新材料重点实验室，江西南昌330029) 摘要：随着现代电子行业高速发展对散热材料的性能提出了更高的 要求，新型散热材料的研制已成为发展电子元器件的关键之一。新 型的散热材料不仅要有导率，而且热膨胀系数必须与半导体材料相 匹配。金刚石铜基复合材料作为新一代电子散热材料，目前已成 为国内外研究的热点。在综合大量文献