金剛石材料散熱分解課件

1、金剛石散熱材料同組人：陳強(qiáng) 高亞飛 李其龍 王君 田金星 陳旭鋒logo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。散熱材料的研究1 新型散熱材料導(dǎo)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(dǎo)熱性的有機(jī)硅彈性體 橡膠參考資料, 2000年07期， 期刊 導(dǎo)熱塑料散熱器陶瓷散熱片 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(dǎo)率，及很輕的質(zhì)量。金剛石作為上述材料的代表，其超高的

2、熱導(dǎo)率，及其優(yōu)異的力學(xué)、光學(xué)、聲學(xué)、電學(xué)和化學(xué)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。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(dǎo)熱率二、金剛石膜散熱的測定 一、金剛石的導(dǎo)熱率人們常說金剛石的導(dǎo)熱率是銅的五倍。其實(shí)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(dǎo)熱率也不同，就是同一類金剛石的導(dǎo)熱率也不一定相同。金剛石的導(dǎo)熱率與其內(nèi)部結(jié)構(gòu)的完整性和所含雜質(zhì)的種類和含量有關(guān)，在不同溫度下同一類金剛石的導(dǎo)熱率不一樣，從表一可以看出。金剛石的導(dǎo)熱率

3、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(dǎo)率符合要求的多晶金剛石，a型金剛石的熱導(dǎo)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(shí)，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(dǎo)熱性和薄膜狀結(jié)構(gòu)，提出了金剛石對小空間大熱流密度元件進(jìn)行散熱的試驗(yàn)方案：加熱器模擬一個小尺寸高功率的發(fā)熱元件，假設(shè)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(dǎo)出，避免其局部產(chǎn)生過熱，進(jìn)而在其散熱端用熱管將熱導(dǎo)走，從而避免發(fā)熱元件局部過熱。實(shí)驗(yàn)采取對比方

4、式，對比材料選擇傳統(tǒng)材料中導(dǎo)熱率較高的銅，同時(shí)在實(shí)驗(yàn)過程中尋找金剛石膜在實(shí)際應(yīng)用中可能出現(xiàn)的問題。 金剛石膜散熱實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)包括：熱載荷控制臺、實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)臺和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實(shí)物圖，實(shí)驗(yàn)臺包括高熱流密度加熱器、實(shí)驗(yàn)件、矩形熱管和冷凝器；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(gòu)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(jì)算機(jī)。 圖二，實(shí)驗(yàn)原理示意圖，熱量由加熱器產(chǎn)生，首先傳到實(shí)驗(yàn)件，經(jīng)過試驗(yàn) 件擴(kuò)散，進(jìn)入導(dǎo)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。實(shí)驗(yàn)結(jié)果：加熱器與實(shí)驗(yàn)件之間存在著接觸熱阻，根據(jù)熱阻定義：經(jīng)計(jì)算可得，銅工況下的平均接觸熱阻

5、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(shí)驗(yàn)的其他參數(shù)不變，在相同加熱功率的情況下，可認(rèn)為二者在同一工況下進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)結(jié)果還是有可比性的。實(shí)驗(yàn)結(jié)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(dǎo)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。針對金剛石的貴重，金剛石散熱材料有什么實(shí)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(jià)格極其昂貴。因此, 要滿足

6、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 投資大, 生產(chǎn)費(fèi)用高, 技術(shù)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?yàn)椴还苁菄鴥?nèi)還是國外所采用的生產(chǎn)金剛石的工藝技術(shù)并不先進(jìn), 生產(chǎn)的金剛石晶體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)有很多缺陷, 金屬包裹物很多, 而導(dǎo)熱性能對結(jié)構(gòu)缺陷很敏感, 因此, 這類金剛石的導(dǎo)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(jié)構(gòu), 也具有與顆粒狀金

7、剛石完全相同的性能。由于低溫等離子體化學(xué)氣相沉積可以很經(jīng)濟(jì)地在各種襯底上沉積出直徑達(dá)10cm, 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(shí)踐中產(chǎn)生, 它們有優(yōu)異的導(dǎo)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(jìn)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(jié)而導(dǎo)致的導(dǎo)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

8、:42-43.文章編號：1006852xC2005)06一002704CVD金剛石改善3DMCM散熱性能分析+謝擴(kuò)軍蔣長順徐建華(電子科技大學(xué)物理電子學(xué)院，四川成都610054)摘要在3DMcM(多芯片組件)封裝設(shè)計(jì)中，大功率和高熱流密度導(dǎo)致系統(tǒng)的散熱成為關(guān)鍵技術(shù)之一。本文采用高導(dǎo)熱率的金融石封裝材料建市了一種霍層多芯片組件結(jié)構(gòu)，應(yīng)用ANsYs軟件和計(jì)算流體動力學(xué)方法(cFD)，對cVD(化學(xué)氣相沉積)金剛石基板的三維多芯片結(jié)構(gòu)進(jìn)行了熱性能分析，模擬了器件在強(qiáng)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(shè)計(jì)參數(shù)和物性參數(shù)對3DMcM器件溫度場的影響。結(jié)果顯示金剛石基板應(yīng)用在多芯片組件中能

9、顯著地改善3DMcM封裝的散熱性能，明顯優(yōu)于氮化鋁基板；在強(qiáng)制空冷時(shí)散熱功率可達(dá)到120w。關(guān)鍵詞cVD金剛石；熱沉；3DMcM；封裝；熱性能中圖分類號TQl64 文獻(xiàn)標(biāo)識碼A金剛石作為散熱材料的應(yīng)用文章編號：10013679(2013)040507一05金剛石顆粒增強(qiáng)銅基散熱材料的研究進(jìn)展康林萍，魏仕勇，陳志寶(江西省科學(xué)院銅鎢新材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(guān)鍵之一。新型的散熱材料不僅要有導(dǎo)率，而且熱膨脹系數(shù)必須與半導(dǎo)體材料相匹配。金剛石銅基復(fù)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(diǎn)。在綜合大量