金刚石薄膜散热研究
微波CVD金刚石薄膜用作LED散热片的制备
由于金刚石具有室温下最高的热导率, 因此用化学气相沉积( CVD )制备的金刚石膜是大功率发光二极管( LED )理想的散热材料。本文利用微波等离子体CVD 研究了不同沉积工艺下金刚石薄膜的生长。用扫描电子显微镜( SEM)和拉曼光谱对得到的金刚石薄膜进行了表征, 并将金刚石薄膜用作LED散热片的散热效果进行了检测。结果表明: 在硅衬底上沉积20- 30 ",m的CVD金刚石薄膜可以有效地降低LED的工作温度; 在相同的制备成本下, 提高薄膜的厚度(甲烷浓度4% )比提高薄膜的质量甲烷浓度2% )更有利于提高LED的散热效果。本研究表明微波等离子体CVD制备的金刚石薄膜是大功率LED的理想散热衬底材料。
发光二极管( light em itt ing d iode, 简称LED )与传统的白炽灯相比具有驱动电压低、节能、高稳定度、响应时间短、不含有害的金属汞等优点。美国等国家对LED照明效益进行了预测, 美国55% 白炽灯及55% 的日光灯将被LED 取代, 每年可节省350亿美元电费,减少7. 55亿吨二氧化碳排放量[ 1] 。然而, LED 的价格目前还比较昂贵, 较之于白炽灯, 几只LED 的价格就可以与一只白炽灯的价格相当, 而由于LED的发光功率较低, 通常每组信号灯需由300~ 500 只二极管构成。如果能低成本制备出高功率的LED, 将有助于用LED取代传统的白炽灯或日光灯作为照明工具。在台湾地区首届LED 照明展( LED L ightingTa iw an2005)中[ 2] , 新强光电( N eoPac L ighting)公司展出了新开发的超高功率( U ltra",H igh",Pow er) 的S ingle PackagedLED, 输出功率可达到30W, 号称是当时全球以LED作为亮点光源最亮的产品, 如图1所示。而能完成如此高功率的点光源LED开发, 与新强光电突破LED 点光源的散热问题有相当大的关联。据称, 点光源LED的温度极限在120 ", , 而新强光电有能力控制其温度在120 ", 以下, 且产品寿命可达到60000 h。可以看到, 提高LED 的散热能力是提高LED 工作功率的关
键。用什么材料能提高LED 的散热能力呢? 我们知道, 金刚石具有在室温下最高的热导率[ 3] , 且是良好的绝缘体, 因此金刚石膜是LED 理想的散热材料。但目前商业上可以得到的金刚石散热片, 其厚度往往有数百微米, 如果用常用的微波等离子体化学气相沉积法(MPCVD)制备, 以0.5- 1. 0 ",m /h的生长速度沉积一块厚度约为600 ",m 的金刚石膜, 仅生长就需要超过600 h, 且这样的金刚石厚膜表面非常粗糙, 需要进行打磨, 而金刚石具有极高的硬度和高的化学稳定性, 因此平整化金刚石膜表面也是一项费时费力的加工。如果用这样制备的金刚石膜用作LED 的散热材料, 昂贵的生产成本会制约LED 大规模的使用。能否考虑用沉积时间较短、成本较低、表面粗糙度不高而可以免去平整化加工的金刚石薄膜用作LED 散热材料呢? 本文研究了不同沉积工艺下金刚石薄膜的生长, 并将金刚石薄膜直接用作LED 的散热片, 对散热效果进行了检测。
CVD金刚石膜散热性能的实验及仿真分析
本文基于化学气相沉积(CVD)金刚石膜的超高热导率，设计并搭建了一套实验系统，分析其对于 小空间高热流密度电子元件的散热效果。通过测量加热器及材料表面的温度值可知，相同工况下，金刚石膜温度梯度小，温度分布均匀性好，表面最大温差仅为铜的一半且加热面温度相比于铜更低。实验结果说明CVD金刚石膜的散热性能明显优于传统散热材料铜。实验验证了经过Ti—Ni—Au金属化处理的CVD金刚石薄膜具有可焊性。在实验基础上，利用Flotherm软件对系统进行仿真建模，进一步探讨了材料厚度、热导率及接触热阻对加热面温度和最大热流密度的影响。 1 实验系统与实验结果 1. 1 实验系统
为了研究金刚石膜优异的散热特性, 基于其本身所具有的高导热性和薄膜状结构, 提出了利用金刚石膜对小空间大热流密度元件进行散热实验的方案: 加热器模拟一个小尺寸的高功率发热元件, 假设受到空间尺寸的限制, 热管无法与该元件直接连接。在此情况下, 金刚石膜可作为一条散热路径, 首先在金刚石膜的受热端将热量从小空间导出, 避免其局部产生过热,进而在
其散热端用热管将热量带走, 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热导率较高的铜, 同时在实验过程中寻找金刚石膜实际应用中面临的问题。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1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。数据采集系统包括由温度传感器和数据采集仪构成的数据采集模块, 以及装有数据记录处理软件的计算机。实验件选取尺寸参数相同的CVD金刚石膜和铜, 金刚石膜表面进行T i- N i- Au金属化处理, 二者的尺寸参数和热物性参数见表1。
图1 实验系统实物图
对实验件采取\偏心加热、远端散热\的不对称加热方式, 使得由加热器产生的热流在实验件中的传导距离最长, 从而最大限度的比较两种材料表面的温度分布。图2所示为实验原理示意图, 热量由加热器产生, 首先传递到实验件, 经过实验件扩散, 进入热管蒸发段, 经传递至热管冷凝段散热, 最终流入周围环境。热源和实验件之间通过低温锡焊连接, 实验件与热管之间通过导热脂连接。实验在开放环境下进行, 忽略热量在散热路径流通过程中与外界环境的对流换热及辐射换热。
金刚石薄膜热沉制备的研究
19 6 7 年D ym en t 等人川利用n a 型天然金刚石制备出了用于G a A s 半导体激光二极管散热用的金刚石热沉, 并用该热沉首次实现了这一激光二极管的室温连续工作.但是由于受到制备成本的限制, 利用天然及高压合成金刚石制备的热沉一直没有得到推广应用.本文用灯丝热解c v D 方法图, 合成了厚度为1 0 0 o m 的金石多晶薄膜, 通过真空蒸发Ti , Pt , A u 金属层进行表面金属化, 实现了金刚石薄膜热沉的制备.与常规的铜热沉相结合用于台阶衬底内条形G a As /AI G a As 半体激光列阵二极管的散热研究表明, 该激光器的散热特性得到了初步的改善, 最大光输出功率比铜热沉散热时提高了约10 %.我们合成的金刚石膜, 其典型的表面形貌利用准分子激光将金刚石膜切割成面积为2. o m m 伯勺矩形方块, 然后用真空蒸发方法相继蒸镀Ti,Pt , A u 金属层.金刚石膜热沉与常规的铜热沉结合在台阶衬底内条形G aAs / AI G aAs 半导体激光列阵二极管的散热中进行了实际应用,金刚石薄膜热沉与铜热沉_间用导电焊料焊接, 半导体激光二极管用常规方法组装在金刚石薄膜热沉上.半导体激光器的散热直接决定着器件的输出功率、寿命等工作特二极管的光输出特性进行了比较.结果表明, 该激光列阵二极管的最大光输出功率一般可
以提高10 % 左右.为四条台阶衬底内条形G a A s / AI G a A s 激光列阵二极管的室温连续光输出特性曲线, 其中( a) , ( b) 分别是以金刚石膜热沉和铜热沉散热的光输出曲线. 此二管芯解理自同一外延片的最相邻位置, 并且组装前它们在脉冲工作状态下的光输出特性基本相同.组装在金刚石膜热沉上的半导体激光列阵二极管的室温直流工作的最大光输出功率相对于利用铜热沉散热提高了约5 m w.利用金刚石薄膜热沉散热后热阻的改善主要性, 本文组装在金刚石膜热沉上与组装在铜热沉上的G aAs /AI G a As 激光列阵二极管的室温连续光输出特性曲线, 其中( a) , ( b) 分别是以金刚石膜热沉和铜热沉散热的光输出曲线. 此二管芯解理自同一
外延片的最相邻位置, 并且组装前它们在脉冲工作状态下的光输出特性基本相同. 组装在金刚石膜热沉上的半导体激光列阵二极管的室温直流工作的最光输出功率相对于利用铜热沉散热提高了约5 m w.利用金刚石薄膜热沉散热后热阻的改善主要由金刚石膜的厚度、形状、表面平整度及激光器与金刚石膜热沉的组装方法决定.目前, 进一步改善金刚石膜热沉的制备工艺及如七器的组装工艺, 提高刚石膜热沉的散热效果的研究正在进行中
行波管夹持杆微波等离子体化学气 相沉积金刚石厚膜改善散热性能研究
采用微波等离子体化学气相沉积法在行波管Al2O3 夹持杆上沉积金刚石厚膜,取代传统有毒的氧化铍
陶瓷杆,用于宽带大功率行波管改善其散热性能. 经材料性能测试,慢波组件装配及性能测试,获得了较好的实验结
果:导热率大于12W/ cm. ℃,介电常数为510～515 ,介质损耗为1 ×10 - 3 ,体积电阻率大于1013Ω/ cm; 慢波组件导热性
能与同结构的BeO 组件相比提高310 倍. 整管冷测参数全部合格;整管热测在C 波段测得Po = 95W, G = 35db. 可行性分析
(1) 金刚石热导率最高,室温下的热导率2400W/ m·K,为铜的6 倍;热膨胀系数最低,约为018 ×10 - 6/ k ,因而具有极为优良的抗热冲击性能; 电阻率大于1014Ω/ cm, 是优良的绝缘体,介电常数为510～515 ,介质损耗10 - 4 ,化学性能稳定,耐腐蚀性能好. (2) 化学气相沉积(CVD) 的金刚石薄膜具有与天然立方金刚石( Ⅱa 型) 完全相同的结构,因而也具有与天然立方金刚石完全相同的性能. (3) 金石薄膜可直接沉积在硅和陶瓷等多种材料上,设计出适合杆状气相沉积金刚石薄膜的反应腔后,可以用化学气相沉积法直接在BeO、Al2O3 等陶瓷夹持杆上沉积金刚石膜. (4) 可以在硅片上沉积015～110mm厚的金刚石膜,将金刚石厚膜从基底剥离后,可用激光将金刚石厚膜切割成符合行波管夹持杆装管尺寸要求的金刚石杆.5) 按照螺旋线夹持杆的热传导方程: q = k0 [1 + b ( T1 + T2) /2] ( T1 - T2) /δ,为了使行波管内热量尽快散掉,希望k0 大,而δ小, ( T1 - T2) 大,即在管子结构设计允许下,尽可能采用导热率k0 大而直径小的夹持杆, 并增大夹持杆两边的温差. 金刚石的k0 比BeO 的高一个数量级,比Al2O3 高二个数量级. 如果其它条件相似,选用金刚石作夹持杆的行波管的散热量将比使用BeO 的高一个数量级,比使用Al2O3 高个数量级. 因此,本研究用性能与天然立方金刚石相近而成本低廉且易于成型的MPCVD 金刚石取代价格高昂的天然立方金刚石,应用于行波管改善散热性能,必将对提高我
国行波管技术水平,减小器件的尺寸与重量,提高行波管的效率和综合性能,更好满足现代军事技术的需要起到积极作用. 具有特别重要的国防意义和广泛的应用前景.