金剛石材料散熱

1、2021/3/10講解：XX1 金剛石散熱材料 同組人：陳強 高亞飛 李其龍 王君 田金星 陳旭鋒 logo 2021/3/10講解：XX2 隨著科技的不斷發(fā)展，越來越多的大功率電器和 大功率微電子元件逐漸出現(xiàn)，這就面臨著一個器 件產(chǎn)生熱量過大，普通的散熱材料已經(jīng)不能夠很 好地解決散熱問題，新型材料的研究和發(fā)展成了 一個必須和急需的問題。 2021/3/10講解：XX3 散熱材料的研究 1 新型散熱材料導熱塑料 現(xiàn)代制造, 2002年11期， 期刊 2 新一代散熱材料具有柔軟性和高導熱 性的有機硅彈性體 橡膠參考資料, 2000年07期， 期刊 2021/3/10講解：XX4 導熱塑料散熱器陶

2、瓷散熱片 2021/3/10講解：XX5 面對傳統(tǒng)封裝材料的各種限制，發(fā)展出來種各樣 的新型散熱材料，它們具有低熱膨脹率，超高熱 導率，及很輕的質(zhì)量。金剛石作為上述材料的代 表，其超高的熱導率，及其優(yōu)異的力學、光學、 聲學、電學和化學性質(zhì)，使其在高功率光電器件 散熱的問題上的優(yōu)勢明顯優(yōu)于其他材料。 2021/3/10講解：XX6 為什么金剛石可以作為一種優(yōu)良的散熱材料？ 一、金剛石的導熱率 二、金剛石膜散熱的測定 2021/3/10講解：XX7 一、金剛石的導熱率 人們常說金剛石的導熱率是銅的五倍。其實有各種類型的金剛石，如a、b、a、b 型等，對于型的金剛石是通過金剛石的紫外和紅外吸收光譜的

3、不同來區(qū)分的，而a、b 類是通過電子順磁共振吸收的不同來區(qū)分的，不同類型的金剛石其導熱率也不同，就是同 一類金剛石的導熱率也不一定相同。金剛石的導熱率與其內(nèi)部結構的完整性和所含雜質(zhì)的 種類和含量有關，在不同溫度下同一類金剛石的導熱率不一樣，從表一可以看出。 2021/3/10講解：XX8 金剛石的導熱率不是固定的，有一個變化的范圍，作為金剛石散熱片的主要是 a型的單晶金剛石和熱導率符合要求的多晶金剛石，a型金剛石的熱導率，在 液態(tài)空氣溫度下，比銅高25倍，在室溫下，比銅高5倍。在200時，比銅高3倍。 二、金剛石膜散熱的測定 為了研究金剛石膜優(yōu)異的散熱性質(zhì)，基于其本身具有的高導熱性和薄膜狀結構

4、， 提出了金剛石對小空間大熱流密度元件進行散熱的試驗方案：加熱器模擬一個 小尺寸高功率的發(fā)熱元件，假設受到空間尺寸的限制，熱管無法與該元件直接 相連。在此情況下，金剛石可作為一個散熱路徑，首先在金剛石膜的受熱端將 熱從小空間導出，避免其局部產(chǎn)生過熱，進而在其散熱端用熱管將熱導走，從 而避免發(fā)熱元件局部過熱。實驗采取對比方式，對比材料選擇傳統(tǒng)材料中導熱 率較高的銅，同時在實驗過程中尋找金剛石膜在實際應用中可能出現(xiàn)的問題。 金剛石膜散熱實驗系統(tǒng)包括：熱載荷控制臺、實驗臺和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。熱 載荷的大小由四路電源控制，圖一為實驗臺和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實物圖，實驗臺包 括高熱流密度加熱器、實驗件、矩形熱管和冷

5、凝器；數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括溫度傳 感器和數(shù)據(jù)采集儀構成的數(shù)據(jù)采集模塊，以及裝有數(shù)據(jù)記錄和處理軟件的計算 機。 2021/3/10講解：XX9 2021/3/10講解：XX10 圖二，實驗原理示意圖，熱量由加熱器產(chǎn)生，首先傳到實驗件，經(jīng)過試驗 件擴散，進入導熱管蒸發(fā)段，經(jīng)傳遞至熱管冷凝端散熱，最終流入周圍環(huán)境。 2021/3/10講解：XX11 實驗結果：加熱器與實驗件之間存在著接觸熱阻，根據(jù)熱阻定義： 經(jīng)計算可得，銅工況下的平均接觸熱阻為0.234K/W;金剛石膜工況下的平均接觸 熱阻為0.235K/W，誤差為0.43%，因此，保持實驗的其他參數(shù)不變，在相同加 熱功率的情況下，可認為二者在同一工況

6、下進行，實驗結果還是有可比性的。 實驗結果如圖： 通過兩種材料的對比分析，可以明顯看出，金剛石膜表面溫度分布均勻，提 供了一條很好的散熱路徑，使熱量能夠迅速導出，從而降低加熱面溫度。在給定 加熱面上限制的條件下，金剛石膜的最大加熱功率大于銅，因此，金剛石膜能過 更好的解決小空間高熱流密度熱源的問題。 2021/3/10講解：XX12 針對金剛石的貴重，金剛石散 熱材料有什么實際的可行性? 天然金剛石是在地下深處的超高壓、超高溫條件下 形成的, 儲量極少, 價格極其昂貴。因此, 要滿足工業(yè)上 的需要, 只有采用人工合成的方法生產(chǎn)。人工合成的方 法分為高溫高壓法和低溫低壓氣相沉積法, 高溫高壓法

7、投資大, 生產(chǎn)費用高, 技術難度大,合成的金剛石粒度大都在1mm以下。例如靜壓法生產(chǎn)的金 剛石是b型, 屬型金剛石。這類金剛石的質(zhì)量并不好。因為不管是國內(nèi)還是國外所采用 的生產(chǎn)金剛石的工藝技術并不先進, 生產(chǎn)的金剛石晶體的內(nèi)部結構有很多缺陷, 金屬包裹物 很多, 而導熱性能對結構缺陷很敏感, 因此, 這類金剛石的導熱性不可能很好。 目前生產(chǎn)的人造金剛石的某些性能還不及天然金剛石, 但人工制造金剛石的方法也有其 優(yōu)勢。低壓氣相法合成的金剛石薄膜具有與天然立方金剛石完全相同的結構, 也具有與顆 粒狀金剛石完全相同的性能。由于低溫等離子體化學氣相沉積可以很經(jīng)濟地在各種襯底上 沉積出直徑達10cm,

8、厚度幾mm的多晶金剛石薄片, 其他形狀( 如小直徑的圓桿和薄的楔子) 也可以用CVD法沉積出來。并且，a型金剛石、同位素純型金剛石早已在實踐中產(chǎn)生, 它 們有優(yōu)異的導熱性能。而在自然界a型金剛石并不多見, 而同位素純型金剛石則沒有。在 生產(chǎn)a型金剛石方面進行探索是很有意義的。在目前條件下完全可以生長這類金剛石。 高質(zhì)量金剛石單晶原料問題解決以后, 再解決多晶金剛石因燒結而導致的導熱性降低的問 題并不困難。所以金剛石散熱材料還是有很大的可行性和前景。 亓曾篤. 人造金剛石散熱材料J. 超硬材料工程,2006,02:42-43. 2021/3/10講解：XX13 文章編號：1006852xC200

9、5)06一002704 CVD金剛石改善3DMCM散熱性能分析+ 謝擴軍蔣長順徐建華 (電子科技大學物理電子學院，四川成都610054) 摘要在3DMcM(多芯片組件)封裝設計中，大功率和高熱流密度導 致系統(tǒng)的散熱成為關鍵技術之一。本文采用高導熱率的金融石封 裝材料建市了一種霍層多芯片組件結構，應用ANsYs軟件和計算流 體動力學方法(cFD)，對cVD(化學氣相沉積)金剛石基板的三維多芯 片結構進行了熱性能分析，模擬了器件在強制空氣冷卻條件下的熱 傳遞過程和溫度分布，探討了各種設計參數(shù)和物性參數(shù)對3DMcM 器件溫度場的影響。結果顯示金剛石基板應用在多芯片組件中能顯 著地改善3DMcM封裝的

10、散熱性能，明顯優(yōu)于氮化鋁基板；在強制 空冷時散熱功率可達到120w。 關鍵詞cVD金剛石；熱沉；3DMcM；封裝；熱性能 中圖分類號TQl64 文獻標識碼A 金剛石作為散熱材料的應用 2021/3/10講解：XX14 文章編號：10013679(2013)040507一05 金剛石顆粒增強銅基散熱材料的研究進展 康林萍，魏仕勇，陳志寶 (江西省科學院銅鎢新材料重點實驗室，江西南昌330029) 摘要：隨著現(xiàn)代電子行業(yè)高速發(fā)展對散熱材料的性能提出了更高的 要求，新型散熱材料的研制已成為發(fā)展電子元器件的關鍵之一。新 型的散熱材料不僅要有導率，而且熱膨脹系數(shù)必須與半導體材料相 匹配。金剛石銅基復合材料作為新一代電子散熱材料，目前已成 為國內(nèi)外研究的熱點。在綜合大量文獻資料的基礎 上，對金剛石銅基散熱材料的特性及其制備工藝進