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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
2、低热膨胀率，超高热导率，及很轻的质量。金刚石作为上述材料的代表，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Ⅰa、Ⅰb、Ⅱa、Ⅱb型等，对于ⅠⅡ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
3、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Ⅱa型的单晶金刚石和热导率符合要求的多晶金刚石，Ⅱa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
4、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
5、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
6、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?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
7、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Ⅰb型,属Ⅰ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
8、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，Ⅱa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Ⅱa型金刚石并不多见,而同位素纯型金刚石则没有。在生产Ⅱa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
