Luận văn thạc sĩ ứng dụng kim cương nhân tạo làm vật liệu tản nhiệt cho các linh kiện điện tử công suất

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu ứng dụng kim cương nhân tạo làm vật liệu tản nhiệt cho các linh kiện điện tử công suất, đánh giá hiện trạng, phân tích vấn đề, đề xuất biện pháp hoàn

• Tác giả: Trần Tiến Đạt
• Người hướng dẫn: PGS. Phan Ngọc Minh
• Trường học: Đại học Quốc gia Hà Nội
• Chuyên ngành: Vật liệu và Linh kiện Nanô
• Đề tài: Ứng Dụng Kim Cương Nhân Tạo Trong Tản Nhiệt Linh Kiện Điện Tử Công Suất
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2010
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Đế tản nhiệt cho linh kiện LED công suất
• 1.2. Vấn đề tản nhiệt của các linh kiện điện tử công suất
• 1.3. Giới thiệu về linh kiện LED
• 1.4. Vật liệu kim cương
• 1.4.1. Cấu trúc của kim cương
• 1.4.2. Cấu trúc của graphite
• 1.4.3. Tính chất dẫn nhiệt của kim cương
• 1.5. Công nghệ chế tạo màng kim cương nhân tạo
• 1.5.1. Phương pháp áp suất cao, nhiệt độ cao
• 1.5.2. Phương pháp lắng đọng pha hơi hóa học
• 1.6. Màng kim cương nhân tạo trên đế đồng
• 2. CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM
• 2.1. Hệ thiết bị MPCVD
• 2.1.1. Các thông số cơ bản của hệ thiết bị MPCVD
• 2.2. Quy trình vận hành thiết bị MPCVD
• 2.3. Chế tạo mẫu
• 2.3.1. Chế tạo màng kim cương trên đế đồng
• 2.3.2. Chế tạo đế tản nhiệt cho linh kiện LED công suất
• 2.4. Các phương pháp phân tích
• 2.4.1. Hiển vi điện tử quét
• 2.4.2. Phổ tán xạ Raman
• 2.4.3. Phương pháp nhiễu xạ tia X
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 3.1. Các mẫu chế tạo theo chế độ nhiệt độ đốt đế thấp, công suất plasma cao
• 3.1.1. Hình thái học bề mặt của mẫu chế tạo
• 3.1.2. Kết quả đo phổ tán xạ Raman
• 3.2. Các mẫu chế tạo theo chế độ nhiệt độ đốt đế cao, công suất plasma thấp
• 3.2.1. Hình thái học bề mặt của mẫu chế tạo
• 3.2.2. Kết quả đo phổ tán xạ Raman
• 3.2.3. Kết quả đo giản đồ nhiễu xạ tia X
• 3.3. Đế tản nhiệt kim cương ứng dụng cho LED công suất
• DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về kim cương nhân tạo và ứng dụng trong tản nhiệt

Kim cương nhân tạo là một trong những vật liệu tản nhiệt tiềm năng nhất hiện nay. Với độ dẫn nhiệt cao gấp 5 lần so với đồng, kim cương nhân tạo không chỉ giúp tản nhiệt hiệu quả mà còn không gây nhiễu tín hiệu cho các linh kiện điện tử. Việc nghiên cứu và phát triển công nghệ kim cương đã mở ra nhiều cơ hội ứng dụng trong lĩnh vực linh kiện điện tử công suất. Các nghiên cứu cho thấy, kim cương nhân tạo có thể được chế tạo bằng nhiều phương pháp khác nhau, trong đó phương pháp lắng đọng pha hơi hóa học (CVD) là phổ biến nhất. Điều này cho phép sản xuất kim cương với chất lượng cao và chi phí hợp lý, từ đó nâng cao hiệu suất tản nhiệt cho các thiết bị điện tử.

1.1. Tính chất và cấu trúc của kim cương

Kim cương có cấu trúc tinh thể đặc biệt, với các liên kết mạnh mẽ giữa các nguyên tử carbon. Điều này không chỉ mang lại tính dẻo dai mà còn giúp kim cương có tính dẫn nhiệt vượt trội. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng, kim cương nhân tạo có thể đạt được các tính chất tương tự như kim cương tự nhiên, nhưng với chi phí thấp hơn. Việc sử dụng kim cương nhân tạo trong tản nhiệt giúp giảm thiểu rủi ro hư hại cho các linh kiện điện tử, đồng thời kéo dài tuổi thọ của chúng. Các ứng dụng thực tế của kim cương nhân tạo trong tản nhiệt đã được chứng minh qua nhiều nghiên cứu và thử nghiệm, cho thấy khả năng tản nhiệt hiệu quả trong các điều kiện làm việc khắc nghiệt.

1.2. Công nghệ chế tạo màng kim cương nhân tạo

Công nghệ chế tạo màng kim cương nhân tạo đã có những bước tiến đáng kể trong những năm gần đây. Phương pháp lắng đọng pha hơi hóa học (CVD) cho phép tạo ra các màng kim cương với độ dày và chất lượng đồng nhất. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng, việc tối ưu hóa các thông số trong quá trình chế tạo có thể nâng cao hiệu suất tản nhiệt của màng kim cương. Việc áp dụng công nghệ này trong sản xuất linh kiện điện tử công suất không chỉ giúp cải thiện khả năng tản nhiệt mà còn giảm thiểu chi phí sản xuất. Các thử nghiệm thực tế cho thấy, màng kim cương nhân tạo có thể được tích hợp dễ dàng vào các thiết bị điện tử, từ đó nâng cao hiệu quả hoạt động của chúng.

II. Vấn đề tản nhiệt trong linh kiện điện tử công suất

Các linh kiện điện tử công suất như đèn LED và laser thường gặp phải vấn đề tản nhiệt khi hoạt động ở công suất cao. Nhiệt độ tăng cao có thể dẫn đến hư hại cho linh kiện, làm giảm hiệu suất và tuổi thọ của chúng. Việc nghiên cứu và phát triển các giải pháp tản nhiệt hiệu quả là rất cần thiết. Kim cương nhân tạo, với tính dẫn nhiệt vượt trội, đã trở thành một giải pháp khả thi cho vấn đề này. Nghiên cứu cho thấy, việc sử dụng kim cương nhân tạo làm vật liệu tản nhiệt có thể giúp giảm thiểu nhiệt độ hoạt động của các linh kiện điện tử, từ đó nâng cao hiệu suất và độ bền của chúng.

2.1. Tác động của nhiệt độ đến hiệu suất linh kiện

Nhiệt độ là một yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến hiệu suất của các linh kiện điện tử. Khi nhiệt độ tăng, hiệu suất phát sáng của đèn LED giảm, và các linh kiện khác cũng không ngoại lệ. Việc sử dụng kim cương nhân tạo làm đế tản nhiệt giúp giảm thiểu tác động tiêu cực của nhiệt độ, từ đó nâng cao hiệu suất hoạt động. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng, việc duy trì nhiệt độ ổn định cho các linh kiện điện tử không chỉ giúp cải thiện hiệu suất mà còn kéo dài tuổi thọ của chúng. Điều này đặc biệt quan trọng trong các ứng dụng yêu cầu độ chính xác cao và độ tin cậy lớn.

2.2. Giải pháp tản nhiệt hiệu quả

Giải pháp tản nhiệt hiệu quả cho các linh kiện điện tử công suất là một trong những thách thức lớn trong ngành công nghiệp hiện nay. Việc áp dụng kim cương nhân tạo làm vật liệu tản nhiệt đã cho thấy nhiều ưu điểm vượt trội. Kim cương nhân tạo không chỉ có độ dẫn nhiệt cao mà còn có khả năng cách điện tốt, giúp ngăn chặn sự nhiễu tín hiệu. Các nghiên cứu đã chứng minh rằng, việc sử dụng kim cương nhân tạo trong tản nhiệt có thể cải thiện đáng kể hiệu suất của các linh kiện điện tử, từ đó mở ra nhiều cơ hội ứng dụng mới trong công nghệ.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh phát triển nhanh chóng của công nghệ điện tử công suất, các linh kiện như đèn LED công suất cao, laser điốt và chip điện tử ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực. Tuy nhiên, khi hoạt động ở công suất lớn, các linh kiện này sinh ra lượng nhiệt đáng kể, gây ảnh hưởng tiêu cực đến hiệu suất và tuổi thọ thiết bị. Theo báo cáo của ngành, chi phí cho đế tản nhiệt trong sản xuất đèn LED công suất có thể chiếm tới 50% tổng chi phí sản xuất, cho thấy tầm quan trọng của giải pháp tản nhiệt hiệu quả. Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là chế tạo màng kim cương nhân tạo trên đế đồng nhằm ứng dụng làm vật liệu tản nhiệt cho các linh kiện điện tử công suất, đặc biệt là đèn LED công suất cao. Nghiên cứu tập trung vào tối ưu hóa quy trình chế tạo màng kim cương bằng phương pháp lắng đọng pha hơi hóa học sử dụng plasma cao tần (MPCVD), khảo sát các tính chất vật liệu và đánh giá khả năng ứng dụng trong thực tế. Phạm vi nghiên cứu được thực hiện tại Viện Khoa học Vật liệu, Đại học Quốc gia Hà Nội, trong giai đoạn 2009-2010, với sự hợp tác của Công ty cổ phần công nghệ phần mềm bán dẫn phát sáng NAPOTEC, TP. Hồ Chí Minh. Kết quả nghiên cứu góp phần nâng cao hiệu quả tản nhiệt cho linh kiện điện tử công suất, giảm thiểu hư hại do nhiệt và kéo dài tuổi thọ thiết bị, đồng thời mở ra hướng phát triển vật liệu tản nhiệt mới có độ dẫn nhiệt cao và khả năng tích hợp tốt trong công nghiệp điện tử.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

• Cấu trúc và tính chất vật liệu kim cương: Kim cương có cấu trúc tinh thể lập phương với liên kết đồng hóa trị sp3 giữa các nguyên tử cácbon, mang lại độ dẫn nhiệt cao nhất trong các vật liệu tự nhiên (khoảng 2000-2500 W/mK), gấp 5 lần so với đồng truyền thống (380 W/mK). Kim cương nhân tạo tổng hợp bằng phương pháp CVD có tính chất tương đương kim cương tự nhiên, dễ dàng tích hợp trong linh kiện điện tử nhờ cấu trúc màng mỏng.

• Phương pháp lắng đọng pha hơi hóa học (CVD): Phương pháp MPCVD sử dụng plasma cao tần để phân ly khí tiền chất CH4/H2, tạo điều kiện cho các nguyên tử cácbon lắng đọng trên đế đồng ở nhiệt độ khoảng 400-700 °C, áp suất 25-35 Torr, công suất plasma 500-700 W. Quá trình tạo mầm trên đế đồng bằng cách chà xát bột kim cương giúp tăng mật độ vị trí mọc kim cương, cải thiện chất lượng màng.

• Tính chất tản nhiệt và hệ số nở nhiệt: Độ dẫn nhiệt cao của kim cương giúp nhanh chóng lấy nhiệt từ linh kiện và truyền xuống đế đồng. Tuy nhiên, sự chênh lệch lớn về hệ số nở nhiệt giữa kim cương (3×10⁻⁶ K⁻¹) và đồng (51×10⁻⁶ K⁻¹) gây ra hiện tượng bong tách màng, ảnh hưởng đến độ bám dính và hiệu quả tản nhiệt.

Phương pháp nghiên cứu

• Nguồn dữ liệu: Màng kim cương nhân tạo được chế tạo trên đế đồng kích thước 100 mm × 100 mm × 1 mm tại Viện Khoa học Vật liệu bằng hệ thiết bị MPCVD (Seki Technotron – Nhật Bản) với tần số sóng viba 2,45 GHz, công suất tối đa 1,5 kW, áp suất làm việc 15-50 Torr.

• Phương pháp chọn mẫu: Đế đồng được làm sạch, tạo mầm bằng rung siêu âm với bột kim cương trong cồn, sau đó chia thành các mẫu nhỏ 5 mm × 5 mm để khảo sát đồng nhất và chất lượng màng tại nhiều vị trí khác nhau trên đế.

• Phương pháp phân tích: Sử dụng kính hiển vi điện tử quét (SEM) để khảo sát hình thái học bề mặt và độ dày màng; phổ tán xạ Raman để xác định cấu trúc pha và chất lượng tinh thể kim cương; giản đồ nhiễu xạ tia X (XRD) để phân tích cấu trúc mạng tinh thể và kích thước hạt.

• Timeline nghiên cứu: Quá trình chế tạo và phân tích mẫu kéo dài trong 5 giờ cho mỗi chế độ MPCVD, với hai chế độ chính: (1) nhiệt độ đế thấp (400 °C), công suất plasma cao (700 W); (2) nhiệt độ đế cao (700 °C), công suất plasma thấp (500 W).

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Ảnh hưởng của điều kiện chế tạo đến hình thái màng:

   • Ở chế độ nhiệt độ đế thấp (400 °C) và công suất plasma cao (700 W), màng kim cương tổng hợp trên đế đồng có màu xám, cong vênh và bám dính kém. SEM cho thấy màng liên tục nhưng kích thước hạt không đồng đều, ảnh hưởng đến tính ổn định.
   • Ở chế độ nhiệt độ đế cao (700 °C) và công suất plasma thấp (500 W), màng kim cương có bề mặt phẳng, đồng nhất hơn, độ dày khoảng 700 nm sau 5 giờ (tốc độ mọc màng 140 nm/h). Tuy nhiên, độ bám dính vẫn kém do chênh lệch hệ số nở nhiệt giữa kim cương và đồng.

2. Phân tích cấu trúc bằng phổ Raman:

   • Màng chế tạo theo chế độ 1 có phổ Raman với vạch sắc nhọn tại 1332 cm⁻¹ (đặc trưng tinh thể kim cương) và vạch rộng tại 1555 cm⁻¹ (cấu trúc cácbon giả kim cương). Cường độ vạch 1555 cm⁻¹ lớn hơn vạch 1332 cm⁻¹, cho thấy cấu trúc giả kim cương chiếm ưu thế.
   • Đây là kết quả đáng ghi nhận vì nhiều nghiên cứu trước đây chỉ thu được màng cácbon giả kim cương trên đế đồng mà không có cấu trúc tinh thể kim cương.

3. Độ bám dính và ứng dụng làm đế tản nhiệt:

   • Màng kim cương trên đế đồng có độ bám dính kém, dễ bị bong tách do sự chênh lệch hệ số nở nhiệt lớn.
   • Giải pháp sử dụng keo epoxy bạc dẫn nhiệt để gắn màng kim cương với đế đồng được áp dụng, giúp cải thiện độ bám dính và hiệu quả tản nhiệt.
   • Thử nghiệm gắn chip LED trên đế tản nhiệt kim cương cho thấy khả năng tản nhiệt tốt hơn so với đế đồng truyền thống, góp phần giảm nhiệt độ hoạt động của linh kiện.

Thảo luận kết quả

Sự khác biệt về hình thái và chất lượng màng kim cương giữa hai chế độ MPCVD phản ánh ảnh hưởng quan trọng của nhiệt độ đế và công suất plasma đến quá trình lắng đọng và phát triển tinh thể. Nhiệt độ đế cao giúp tăng khả năng hấp thụ cácbon và tạo màng đồng nhất hơn, trong khi công suất plasma thấp giảm thiểu sự sốc nhiệt và cong vênh màng. Tuy nhiên, độ bám dính kém vẫn là thách thức lớn do sự khác biệt về hệ số nở nhiệt giữa kim cương và đồng, gây ứng suất nhiệt khi làm nguội. Việc sử dụng keo dẫn nhiệt epoxy bạc là giải pháp thực tiễn, phù hợp với yêu cầu công nghiệp, giúp duy trì hiệu quả tản nhiệt và độ bền cơ học của đế tản nhiệt. Kết quả phổ Raman chứng minh thành công trong việc tổng hợp màng kim cương có cấu trúc tinh thể trên đế đồng, vượt qua giới hạn của các nghiên cứu trước đây chỉ thu được màng cácbon giả kim cương. Dữ liệu SEM và XRD hỗ trợ minh họa rõ ràng về cấu trúc và độ dày màng, có thể trình bày qua biểu đồ so sánh tốc độ mọc màng và hình ảnh SEM tại các vị trí khác nhau trên đế đồng.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Tối ưu hóa quy trình MPCVD

   • Điều chỉnh nhiệt độ đế trong khoảng 650-700 °C và công suất plasma 500-600 W để cân bằng giữa tốc độ mọc màng và độ đồng nhất, giảm cong vênh màng.
   • Thời gian chế tạo nên duy trì khoảng 5 giờ để đạt độ dày màng tối ưu (~700 nm).
   • Chủ thể thực hiện: Phòng thí nghiệm vật liệu, thời gian 3-6 tháng.

2. Cải thiện độ bám dính màng kim cương trên đế đồng

   • Áp dụng phương pháp tạo mầm hiệu quả bằng rung siêu âm với bột kim cương và thử nghiệm các lớp chuyển tiếp mỏng khác như Ti hoặc Cr để tăng khả năng liên kết.
   • Sử dụng keo epoxy bạc dẫn nhiệt chất lượng cao để gắn kết màng kim cương với đế đồng, đảm bảo độ bền cơ học và hiệu suất tản nhiệt.
   • Chủ thể thực hiện: Phòng thí nghiệm và đối tác công nghiệp, thời gian 6 tháng.

3. Đánh giá hiệu quả tản nhiệt trong thực tế

   • Thử nghiệm đóng gói linh kiện LED công suất trên đế tản nhiệt kim cương, đo nhiệt độ hoạt động và tuổi thọ thiết bị so với đế đồng truyền thống.
   • Thu thập dữ liệu nhiệt độ, cường độ phát sáng và tuổi thọ để đánh giá cải tiến.
   • Chủ thể thực hiện: Công ty sản xuất linh kiện LED, thời gian 3-4 tháng.

4. Nghiên cứu mở rộng ứng dụng

   • Khảo sát khả năng ứng dụng màng kim cương nhân tạo làm đế tản nhiệt cho các linh kiện công suất khác như laser điốt, chip bán dẫn công suất cao.
   • Phát triển quy trình sản xuất quy mô lớn, giảm chi phí và tăng tính ổn định sản phẩm.
   • Chủ thể thực hiện: Viện nghiên cứu và doanh nghiệp công nghệ, thời gian 1 năm.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành vật liệu và linh kiện nano

   • Lợi ích: Hiểu rõ về công nghệ chế tạo màng kim cương nhân tạo, phương pháp MPCVD và ứng dụng trong tản nhiệt linh kiện điện tử.
   • Use case: Phát triển đề tài nghiên cứu mới, ứng dụng trong công nghệ vật liệu nano.

2. Kỹ sư và chuyên gia phát triển sản phẩm linh kiện điện tử công suất

   • Lợi ích: Nắm bắt giải pháp tản nhiệt hiệu quả, cải thiện tuổi thọ và hiệu suất linh kiện LED, laser.
   • Use case: Thiết kế đế tản nhiệt cho sản phẩm mới, tối ưu hóa quy trình sản xuất.

3. Doanh nghiệp sản xuất đèn LED và linh kiện bán dẫn

   • Lợi ích: Áp dụng công nghệ màng kim cương nhân tạo để nâng cao chất lượng sản phẩm, giảm chi phí bảo trì và thay thế.
   • Use case: Đầu tư phát triển sản phẩm LED công suất cao với đế tản nhiệt cải tiến.

4. Cơ quan quản lý và tổ chức tài trợ nghiên cứu khoa học

   • Lợi ích: Đánh giá tiềm năng ứng dụng công nghệ mới trong ngành công nghiệp điện tử, hỗ trợ định hướng phát triển khoa học công nghệ.
   • Use case: Lập kế hoạch tài trợ, xây dựng chính sách phát triển công nghệ vật liệu.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao kim cương nhân tạo được chọn làm vật liệu tản nhiệt thay vì kim cương tự nhiên?
   Kim cương nhân tạo có tính chất vật lý gần tương đương kim cương tự nhiên nhưng có thể sản xuất với số lượng lớn và chi phí thấp hơn nhiều. Điều này giúp ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp, đặc biệt là làm vật liệu tản nhiệt cho linh kiện điện tử công suất.

2. Phương pháp MPCVD có ưu điểm gì so với các phương pháp khác trong chế tạo màng kim cương?
   MPCVD tạo ra màng kim cương có độ sạch cao, chất lượng tốt, không bị nhiễm bẩn do không sử dụng sợi đốt như HFCVD. Ngoài ra, MPCVD cho phép kiểm soát tốt các thông số chế tạo như nhiệt độ, áp suất và công suất plasma, giúp tối ưu hóa chất lượng màng.

3. Làm thế nào để giải quyết vấn đề độ bám dính kém giữa màng kim cương và đế đồng?
   Giải pháp thực tiễn là tạo mầm bằng bột kim cương và sử dụng keo epoxy bạc dẫn nhiệt để gắn màng kim cương lên đế đồng. Ngoài ra, có thể thử nghiệm các lớp chuyển tiếp như Cr hoặc Ti để tăng khả năng liên kết, tuy nhiên cần cân nhắc ảnh hưởng đến độ dẫn nhiệt.

4. Độ dày màng kim cương ảnh hưởng thế nào đến hiệu quả tản nhiệt?
   Độ dày màng kim cương khoảng 700 nm được xác định là tối ưu trong nghiên cứu, vừa đảm bảo độ dẫn nhiệt cao vừa hạn chế chi phí sản xuất. Màng quá dày sẽ tăng chi phí và có thể gây khó khăn trong tích hợp, trong khi màng quá mỏng có thể không đủ khả năng tản nhiệt.

5. Ứng dụng của màng kim cương nhân tạo ngoài đế tản nhiệt cho đèn LED là gì?
   Ngoài đế tản nhiệt cho đèn LED công suất, màng kim cương nhân tạo còn có thể ứng dụng trong các linh kiện điện tử công suất khác như laser điốt, chip bán dẫn, cũng như trong các thiết bị yêu cầu khả năng tản nhiệt cao và cách điện tốt.

Kết luận

• Đã thành công trong việc chế tạo màng kim cương nhân tạo trên đế đồng bằng phương pháp MPCVD với hai chế độ nhiệt độ và công suất plasma khác nhau, thu được màng có cấu trúc tinh thể kim cương và cácbon giả kim cương.
• Màng kim cương chế tạo có độ dày khoảng 700 nm, tốc độ mọc màng 140 nm/h, bề mặt phẳng và đồng nhất khi sử dụng chế độ nhiệt độ đế cao, công suất plasma thấp.
• Vấn đề độ bám dính kém giữa màng kim cương và đế đồng được giải quyết bằng cách sử dụng keo epoxy bạc dẫn nhiệt, đảm bảo hiệu quả tản nhiệt và độ bền cơ học.
• Ứng dụng màng kim cương nhân tạo làm đế tản nhiệt cho linh kiện LED công suất giúp giảm nhiệt độ hoạt động, tăng tuổi thọ và hiệu suất phát sáng.
• Đề xuất tiếp tục tối ưu quy trình chế tạo, mở rộng ứng dụng và đánh giá hiệu quả trong thực tế, đồng thời khuyến khích hợp tác giữa viện nghiên cứu và doanh nghiệp để phát triển công nghệ.

Call-to-action: Các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp trong lĩnh vực vật liệu và linh kiện điện tử công suất nên tiếp tục khai thác và ứng dụng công nghệ màng kim cương nhân tạo để nâng cao hiệu quả tản nhiệt, góp phần thúc đẩy sự phát triển bền vững của ngành công nghiệp điện tử hiện đại.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1.1 Đế tản nhiệt cho linh kiện LED công suất 1.1 Vấn đề tản nhiệt của các linh kiện điện tử công suất Hiện nay các linh kiện điện tử như laser điốt, đèn LED, chip điện tử, … đã trở nên quen thuộc bởi vô vàn những ứng dụng trong cuộc sống hàng ngày. Tuy nhiên khi các linh kiện này hoạt động ở công suất cao sẽ có một số khó khăn sau: Ví dụ như laser (sự khuếch đại ánh sáng bằng phát xạ cưỡng bức) là một trong những thành tựu lớn nhất của vật lý hiện đại trong thế kỷ 20. Mặc dù laser mới được phát minh vào thập niên 60 nhưng đã được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như: quang học ứng dụng, điện tử, cơ khí, công nghệ thông tin, y học,. và mở ra một kỷ nguyên mới của ngành vật lý cho thế kỷ 21 – kỷ nguyên quang tử.

Việc ứng dụng laser công suất thấp trong y học như thay thế dao mổ trong phẫu thuật, tạo nguồn năng lượng tiêu diệt tế bào ung thư, … đã mở ra một hướng ứng dụng mới đầy hứa hẹn trong lĩnh vực công nghệ sinh học. Mặt khác, việc ứng dụng laser công suất trong gia công vật liệu như khoan, cắt, gọt, … đã trở nên thiết yếu trong nhiều ngành công nghiệp hiện đại đòi hỏi độ chính xác và hiệu suất cao. Tuy nhiên khi ứng dụng laser có công suất cao vào thực tế lại xuất hiện một trở ngại lớn là nó sẽ tỏa ra một lượng nhiệt lớn làm cho ảnh hưởng đến độ chính xác của thiết bị như chùm sáng phát ra sẽ không còn có độ tập trung cao làm giảm hiệu suất hoạt động, cũng như làm hư hại thiết bị do sự rạn nứt nhiệt. Hiện nay, đèn LED (điốt phát quang) đang dần thay thế các loại đèn chiếu sáng thông thường do đặc tính nổi bật là tiết kiệm điện năng (đèn LED công suất 5 W có độ sáng tương đương với bóng đèn công suất 20 W), có hiệu suất phát sáng lên đến gần cả trăm lumens/Watt và tuổi thọ của đèn LED cao hơn khoảng 50 lần so với đèn chiếu sáng thông thường.

Ngoài ra đèn LED trắng hay đèn LED mầu đều có nhiều ứng dụng rộng rãi mà đèn huỳnh quang không làm được như có thể phát sáng ra nhiều mầu sắc phong phú, hình dạng nhỏ gọn phù hợp với việc trang trí chiếu sáng cho đèn xe, đèn đường, đèn hầm mỏ, đèn chiếu hậu cho màn hình của điện thoại cầm tay, đèn chiếu hậu cho màn hình tinh thể lỏng, in ấn kỹ thuật số,. Tuy nhiên khi ứng dụng đèn LED trắng để có thể chiếu sáng, chúng ta phải sử dụng những đèn LED công suất. Đối với kích thước nhỏ gọn của LED thì lượng nhiệt tỏa ra trên một đơn vị diện tích của đèn LED là rất 3 z lớn nên dễ gây ra sự hư hại phẩm chất và tuổi thọ của đèn LED. Do đó riêng chi phí cho sản xuất đế tản nhiệt của đèn LED công suất đã chiếm tới 50 % chí phí toàn bộ để sản xuất một đèn LED thương phẩm [16].

Vì vậy đèn LED có công suất càng lớn thì kỹ thuật đóng gói đèn LED sẽ càng trở nên phức tạp và có giá thành càng cao (hình 1. Sự thay đổi của kỹ thuật đóng gói đèn LED phụ thuộc vào công suất và vấn đề tản nhiệt của đèn LED [16] Thông qua các ví dụ trên, chúng ta nhận thấy rằng khi tăng công suất hoạt động của các linh kiên điện tử để ứng dụng trong cuộc sống, chúng ta sẽ phải giải quyết một trở ngại lớn; đó là bài toán tản nhiệt cho các linh kiện này. Chính vì lý do đó nên việc nghiên cứu ứng dụng các vật liệu tản nhiệt cho các linh kiện điện tử công suất đang trở thành một yêu cầu cấp thiết hiện nay.2 Giới thiệu về linh kiện LED LED (điốt phát quang) là linh kiện bán dẫn quang có khả năng phát ra ánh sáng khi có hiện tượng tái hợp xảy ra trong chuyển tiếp p – n. Ánh sáng do LED phát ra là ánh sáng không kết hợp, tự phát và đẳng hướng.

Về nguyên tắc tất cả các chuyển tiếp p – n đều có khả năng phát ra ánh sáng khi được phân cực thuận nhưng chỉ có một số loại vật liệu tái hợp trực tiếp mới cho hiệu suất tái hợp cao. Vật liệu chế tạo LED là các nguyên tử nhóm III và V: GaAs, GaP, GaAsP, … đây là những vật liệu tái hợp trực tiếp. Tuỳ theo vật liệu chế tạo mà ánh sáng bức xạ của LED có thể ở những vùng bước sóng khác nhau. LED bức xạ ra ánh sáng nhìn thấy (LED màu) được sử dụng trong các hệ thống chiếu sáng hoặc quang báo.

LED bức xạ hồng ngoại 4 z (LED hồng ngoại) được sử dụng trong hệ thống bảo vệ, sản xuất, thông tin quang, … Hình 1. Giản đồ sơ lược về cấu tạo của đèn LED [1] Nguyên tắc làm việc của LED Dựa trên hiệu ứng phát sáng khi có hiện tượng tái hợp điện tử và lỗ trống ở vùng chuyển tiếp p – n, LED sẽ phát quang khi được phân cực thuận. Nghĩa là biến đổi năng lượng điện thành năng lượng quang (hình 1. Cường độ phát quang tỉ lệ với dòng qua LED.

Khi phân cực thuận các hạt tải đa số sẽ ồ ạt di chuyển về phía bán dẫn bên kia. Điện tử từ lớp bán dẫn n sẽ khuếch tán sang lớp p và lỗ trống từ lớp p lại khuếch tán sang lớp n. Trong quá trình di chuyển chúng sẽ tái hợp với nhau và phát ra các photon (hình 1. Nguyên lý hoạt động của đèn LED [1] 5 z Đặc tuyến Von–Ampe của đèn LED Đặc tuyến V–A của LED giống như của điốt thông thường.

Điện áp phân cực thuận UD: 1,6 – 3 V; điện áp phân cực ngược: 3 – 5 V; dòng ID khoảng vài chục mA. Ith Ung max UD UAK Hình 1. Đặc tuyến Von–Ampe của đèn LED [1] Nồng độ hạt dẫn của lớp p và lớp n rất cao nên điện trở của LED rất nhỏ. Do đó khi mắc LED phải mắc nối tiếp với một điện trở giới hạn dòng để đảm bảo an toàn.

Ảnh hưởng của của nhiệt độ đối với LED Khi ứng dụng đèn LED có công suất để chiếu sáng, với kích thước nhỏ gọn của nó thì lượng nhiệt tỏa ra trên một đơn vị diện tích của đèn LED là rất lớn nên dễ gây ra sự hư hại phẩm chất và tuổi thọ của đèn LED. Nhìn chung LED rất nhạy với nhiệt độ: Hình 1. Ảnh hưởng của nhiệt độ đối với bước sóng ánh sáng của đèn LED phát ra [10] 6 z – Khoảng nhiệt độ làm việc thông thường của LED: – 60 oC đến 80 oC [1]. – Nhiệt độ càng tăng, bước sóng của LED càng dài (tăng thêm 0,02 ÷ 0,09 m/oC).5 mô tả khi nhiệt độ do đèn LED tỏa ra tăng lên sẽ kéo theo sự thay đổi màu sắc ánh sáng mà nó phát ra (tương ứng với bước sóng của ánh sáng càng dài).

– Nhiệt độ tăng sẽ làm cường độ phát quang của đèn LED giảm cỡ 1%/oC (hình 1. Ảnh hưởng của nhiệt độ đối với cường độ phát sáng của đèn LED phát ra [10] Như vậy, để có thể ứng dụng đèn LED công suất cho chiếu sáng, chúng ta sẽ phải giải quyết bài toán tản nhiệt cho các đèn LED này. Vì vậy việc nghiên cứu ứng dụng các đế tản nhiệt cho đèn LED công suất trở thành một yêu cầu bắt buộc. Đế tản nhiệt cho linh kiện LED Đế tản nhiệt cho các linh kiện điện tử đóng vai trò như một lớp chuyển tiếp giữa linh kiện và bộ phận làm mát (hình 1.

Chức năng cơ bản của đế tản nhiệt là lấy nhiệt từ linh kiện và nhanh chóng tản nhiệt xuống bề mặt rộng của bộ phận làm mát để khử lượng nhiệt sinh ra từ linh kiện. Linh kiện Đế tản nhiệt Tản Bộ phận làm mát nhiệt Hình 1. Vai trò của đế tản nhiệt trong kỹ thuật đóng gói linh kiện 7 z Do đó, đế tản nhiệt cần có độ dẫn nhiệt cao để có thể nhanh chóng lấy nhiệt từ linh kiện. Ngoài các tính chất vật lý đó, đế tản nhiệt phải có giá thành thấp để có thể ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp.

Kim cương nhân tạo là vật liệu tản nhiệt đầy tiềm năng do có ưu điểm nổi bật là độ dẫn nhiệt cao cỡ 2000 W/mK gấp 5 lần so với đồng (loại vật liệu tản nhiệt truyền thống có độ dẫn nhiệt 380 W/mK) [18]. Do đó chúng tôi đã chọn vật liệu kim cương nhân tạo làm đế tản nhiệt cho các linh kiện điện tử công suất như đèn LED, laser, … 1.2 Vật liệu kim cương Trong bảng hệ thống tuần hoàn, cácbon là nguyên tố ở vị trí thứ 6, nguyên tử lượng là 12, có cấu hình điện tử là 1s22s22p2. Do đó nguyên tử cácbon có bốn điện tử hóa trị. Năng lượng liên kết giữa các mức năng lượng cao 2p và mức năng lượng thấp 2s là rất nhỏ so với năng lượng liên kết của các liên kết hóa học [13].

Vì vậy các hàm sóng của bốn điện tử hóa trị có thể dễ dàng tự kết hợp hoặc kết hợp với các nguyên tử khác. Trạng thái ưu tiên cho sự sắp xếp các điện tử gọi là các trạng thái lai hóa. Cácbon có ba trạng thái lai hóa sp1, sp2, sp3 tồn tại trong các dạng vật chất khác nhau (hình 1. a) dạng thẳng b) dạng tam giác c) dạng tứ diện Hình 1.

Các trạng thái lai hóa khác nhau của nguyên tử cácbon a) sp1; b) sp2; c) sp3 [13] Trạng thái lai hóa sp1 thẳng hàng (hình 1.8a) được tạo thành như một chuỗi dây xích phẳng. Mỗi mắt xích là một nguyên tử cácbon. Dạng lai hóa này có thể được tạo ra trong tự nhiên nhưng khó tồn tại ở dạng rắn. Trạng thái lai hóa sp2 (hình 1.8b) là trạng thái liên kết phẳng, trong trạng thái lai hóa này có ba obital sp2 được tạo thành còn lại là một obital 2p.

Ba obital đồng phẳng tạo với nhau một góc 120o và tạo thành liên kết σ khi chồng chập với các nguyên tố cácbon bên cạnh. Obital p cũng tạo ra một liên kết π với các nguyên tử kế tiếp. Trạng thái lai hóa sp2 giữa các nguyên tử cácbon có thể tưởng 8 z tượng giống như một tấm cácbon đơn 2D phẳng. Trong đó, góc liên kết tạo bởi các nguyên tử cácbon là 120o trông giống như một mạng hình tổ ong.

Mạng này được gọi là tấm graphene. Trạng thái lai hóa sp3 (hình 1.