摘要    由于金剛石具有室溫下最高的熱導率，因此用化學氣相沉積（CVD）制備的金剛石膜是大功率發光二極管理想的散熱材料。本文利用微波等離子體CVD研究了不同沉積工藝下金剛石薄膜的生長。用掃描電子顯微鏡（SEM）和拉曼光譜對得到的金剛石薄膜進行了表征，并將金剛石薄膜用作LED散熱片的散熱效果進行了檢測。結果表明：在硅襯底上沉積20-30 μm的CVD金剛石薄膜可以有效地降低LED的工作溫度；在相同的制備成本下，提高薄膜的厚度（甲烷濃度4％）比提高薄膜的質量（甲烷濃度2％）更有利于提高LED的散熱效果。本研究表明微波等離子體CVD制備的金剛石薄膜是大功率LED的理想散熱襯底材料。

關鍵詞    微波等離子體；化學氣相沉積；金剛石膜；散熱片；LED

引言

       發光二極管(Light Emitting Diode,簡稱LED)與傳統的白熾燈相比具有驅動電壓低、節能、高穩定度、響應時間短、不含有害的金屬汞等優點。美國等國家對LED照明效益進行了預測，美國55%白熾燈及55%的日光燈將被LED取代，每年可節省350億美元電費，減少7.55億噸二氧化碳排放量[1]。然而,LED的價格目前還比較昂貴，較之于白熾燈，幾只LED的價格就可以與一只白熾燈的價格相當，而由于LED的發光功率較低，通常每組信號燈需由300～500只二極管構成。如果能低成本制備出高功率的LED,將有助于用LED取代傳統的白熾燈或日光燈作為照明工具。在臺灣地區首屆LED照明展（LED Lighting Taiwan 2005）中[2]，新強光電（NeoPac Lighting）公司展出了新開發的超高功率（Ultra-High-Power）的Single Packaged LED，輸出功率可達到30W，號稱是當時全球以LED作為亮點光源最亮的產品，如圖1所示。而能完成如此高功率的點光源LED開發，與新強光電突破LED點光源的散熱問題有相當大的關聯。有關技術人員說：“點光源LED的溫度極限在120℃，而新強光電有能力控制其溫度在120℃以下，且產品壽命可達到60,000 h。”可以看到，提高LED的散熱能力是提高LED工作功率的關鍵。用什么材料能提高LED的散熱能力呢？我們知道，金剛石具有在室溫下最高的熱導率[3]，且是良好的絕緣體，因此金剛石膜是LED理想的散熱材料。但目前商業上可以得到的金剛石散熱片，其厚度往往有數百微米，如果用常用的微波等離子體化學氣相沉積法（MPCVD）制備，以0.5－1.0 μm/h[4-5]的生長速度沉積一塊厚度約為600 μm的金剛石膜，僅生長就需要超過600 h，且這樣的金剛石厚膜表面非常粗糙，需要進行打磨，而金剛石具有極高的硬度和高的化學穩定性，因此平整化金剛石膜表面也是一項費時費力的加工［6］。如果用這樣制備的金剛石膜用作LED的散熱材料，昂貴的生產成本會制約LED大規模的使用。能否考慮用沉積時間較短、成本較低、表面粗糙度不高而可以免去平整化加工的金剛石薄膜用作LED散熱材料呢？本文研究了不同沉積工藝下金剛石薄膜的生長，并將金剛石薄膜直接用作LED的散熱片，并對散熱效果進行了檢測。

實驗過程

       將Φ25mm 2mm的單晶硅作為生長金剛石薄膜的襯底材料，為了提高形核密度，先用1.5μm的金剛石研磨膏研磨Si片10min，然后分別用丙酮、甲醇超聲清洗，晾干。置入自制的5KW微波等離子體金剛石膜沉積腔中沉積金剛石薄膜[7]。反應氣體為氫氣和甲烷，總氣體流量為200 sccm（sccm: 標準立方厘米每分鐘），基片溫度通過調節基片臺內的冷卻水流量來控制，溫度用紅外測溫儀通過真空腔體的觀測窗測量得到。其它具體的沉積工藝及所得到的薄膜的數據列于表1中。

表1 金剛石膜樣品生長工藝參數及測得的膜的數據

       沉積得到的金剛石薄膜的表面形貌和質量分別通過掃描電子顯微鏡（SEM）和拉曼光譜（Raman）進行表征。金剛石薄膜的散熱性能通過測量集成在其表面的LED的工作溫度來進行衡量：將沉積有金剛石薄膜的Si片表面直接用來封裝LED發熱單元，然后進行測試，測試方法為給LED器件施加相同的電耗功率，然后記錄不同時間LED器件表面的溫度，以衡量金剛石膜散熱層的散熱效果。檢測要求：器件表面溫度在工作5分鐘內不超過100℃為合格。如果沒有散熱層，而直接將LED封裝在Si片表面，溫升很快超過100℃，為不合格。測試結果見表2。

結果與討論

       圖2顯示了不同甲烷濃度下所制備的金剛石薄膜的表面形貌，從圖2(a)可以看到，甲烷濃度為4％時，由于碳濃度較高，CVD金剛石二次形核現象比較突出，金剛石晶粒尺寸較小，晶面不完整；降低甲烷濃度到2％，如圖2(b)所示，二次形核現象明顯減少了，晶面比較完整，晶粒尺寸也較大。說明碳源濃度的不同對CVD金剛石的生長影響很大。

       結合前面的結果，可以看出，在保持其它工藝參數基本不變的前提下，提高碳源的濃度，可以提高金剛石膜的生長速度，從而得到厚度較大的薄膜，但金剛石膜的質量會降低；反之，降低碳源的濃度，可以提高薄膜的純度和質量，但得到的薄膜厚度較小。該結果與Hung C.C.等人的研究結果類似[8]。

       根據樣品A系列和B系列用作LED散熱片的散熱效果檢測（表2）可以看到，樣品A系列和樣品B系列都能滿足LED的散熱要求。之所以在Si表面添加金剛石薄膜散熱層后可以有效的提高LED的散熱效果，其原因是如果沒有金剛石薄膜作為散熱層（見圖4a，圖中的箭頭是熱量流動方向及大小的示意圖)。LED的散熱是通過其自身將熱量傳遞到散熱能力較差的介質如封裝導熱膠及硅基底，屬于“點散熱”；而施加了金剛石薄膜作為散熱層之后，利用金剛石膜的高熱導率，可以將LED的熱量迅速擴散進入整個金剛石膜中，然后通過整個金剛石膜進行熱擴散到與之接觸的介質當中，這樣的散熱屬于“面散熱”，因而可以大幅度的提高散熱效果。因此，由于金剛石薄膜的存在，將工作中的LED器件的點散熱變成了金剛石膜的面散熱，因此提高了散熱效率，從而降低了LED的工作溫度。

       雖然使用金剛石薄膜作為散熱片后，LED的散熱效果都達到了合格要求，但是兩種工藝得到的金剛石薄膜的散熱效果是不同的，比較表2可以看到，A系列的散熱效果要好于B系列。A系列和B系列的沉積工藝是十分相似的，除了不同的CH4濃度外，其他沉積工藝都是一樣的，由于碳源材料的成本在微波法制備CVD金剛石膜的過程中所占比例是十分小的，因此，在本研究中，可以說二者的制造成本是大致相當的，但由于碳源濃度不同導致所沉積的金剛石膜的純度及膜的厚度不同：A系列由于碳源濃度較高，因此所沉積金剛石膜中非金剛石碳含量較高，質量較低，但由于薄膜的生長速度較高，所以A系列的膜厚較大；而B系列的樣品由于碳源濃度較低，因此其非金剛石碳含量較低，質量較高，但由于薄膜的生長速度較低，所以膜的厚度較小。一般來說，CVD金剛石膜的生長質量和生長速度很難同時兼顧［8］，因此在相同的制備成本前提下，提高薄膜的質量與提高薄膜的生長速率二者到底哪一種對提高散熱效率有更大的幫助呢？本研究結果表明，提高金剛石膜的生長速度對提高散熱效果幫助更大。圖5顯示了在本研究中用金剛石薄膜作為LED散熱層的各階段樣品的外形圖。

 結論

       用微波CVD法制備的金剛石薄膜，不同的碳源濃度，對金剛石薄膜的生長有很大的影響；將金剛石薄膜用作大功率LED的散熱片，可以有效地降低LED的工作溫度；在相同的制備成本下，提高金剛石薄膜的生長速度比提高金剛石薄膜的質量，能更有效地提高散熱效果。研究結果表明微波法制備的CVD金剛石薄膜是大功率LED理想的散熱材料。

參考文獻

［1］ http://www.china-led.net/Html/zsjiangtang/jingjiang/2006-2/20/105000324_2.htm(2006)

［2］ http://projector.zol.com.cn/2005/0610/177151.shtm （2006）

［3］ May P W，Diamond thin films: a 21st-century material. Phil. Trans. R. Soc. Lond. A, 2000, 358:473.

［4］Naseem H.A., Haque M.S., Khan M.A., et al. Thin Solid Films, 1997:308-309:141

［5］Ralchenko V., Sychov I., Vlasov I., et al. Quality of diamond wafers grown by microwave plasma CVD: effects of gas flow rate, Diamond Relat. Mater., 1999,8:189

［6］Malshe A.P., Park B.S., Brown W.D., et al. A review of techniques for polishing and planarizing chemically vapor-deposited (CVD) diamond films and substrates, Diam. Rel. Mater., 1999, 8:1198

［7］ Man W.D., Wang J.H., Wang C.X., et al. Microwave CVD Diamond Thick Film Synthesis using CH4/H2/H2O Gas Mixtures, Plasma Science & Technology, 2006, 8(3):329

［8］ Hung C.C., Shih H.C., Experimental design method applied to microwave plasma enhanced chemical vapor deposition diamond films, J. Crystal Growth, 2001, 233:723