第二章 文獻回顧
2.4 含碳之高導熱複材種類
1. 碳纖維/鋁複合材料(Carbon fiber/Al composites)
碳/金屬複合材料是將金屬液熔湯灌注於碳纖維的預形體內，即成碳/
金屬複材。一般應用於複合材料上的碳纖維強化相有許多種類，例如：連 續長纖維(long fiber)、短纖維(chop)、鬚晶(whisker)、粉末粒子和薄片。已 商業化的碳纖維材料一般是由丙烯脛系(PAN)和瀝青基系(pitched)所製，丙 烯脛系碳纖維因方向性石墨化程度不如瀝青系碳纖維，其導熱率通常較低
。目前應用於高熱導強化材主要是瀝青基（pitch-based）碳纖維（亦稱之 為石墨纖維），可以使用的方式有長纖、短纖、粉狀及織布(mat)等。
碳 纖 維 真 正 商 業 化 的pitch-based 碳 纖 維 形 態 如 圖 2.2 所 示 ， 是 以 Thermagraph所生產的K1100之熱傳導率最高，達到1100 W/m·K。近年以氣 相沉積方式製造的碳纖維（VGCF）也積極發展中，據Applied Science Inc 已發表的VGCF碳纖維，其熱傳導率可高達1950 W/m·K左右[10]。圖2.3 所 示為目前各種碳纖維之熱傳導率與電阻抗值，可以看出有些碳纖維的熱傳 導率是銅得好幾倍，用這些碳纖維來作強化材，將可獲致高熱導、低膨脹 係數與質輕的複合材料。這些強化材目前已經開始應用於金屬基、碳基和 高分子基材料上，以製造輕量、高熱傳導性以及可以和半導體、陶瓷基材 之CTE值相匹配的材料。
圖 2.2.各種不同型式的碳纖維強化材
圖2.3 各種碳纖維強化材之熱傳導率與電阻抗[11]
據 ThermaGraph 公司研究指出，K1100 碳纖強化 PMCs 其碳纖體積分 率為 0.6 時，在纖維軸方向上的熱傳導率有 660 W/m·K，為銅的 1.5 倍。
雖然長纖有最佳的熱傳導特性，但短纖強化有最佳的近實形成形性和 便宜的生產程序，所以如利用射出成型方式，生產成本將會大大的降低。
但值得注意的是短纖強化的熱傳導性和彈性模數遠低於長纖強化。
碳纖維(石墨纖維)強化的銅基複合材料(Carbon fiber/Cu composite)，碳 Milled
Chopped fiber
2D mat
Long fiber
向 熱 導 率 ，P120、P130碳纖維軸向的熱導率分別為640 W/m·K和1100 W/m·K，而用CVD方法生產的碳纖維其熱導率更可高達2000 W/m·K。與銅 複合的碳纖維材料沿碳纖維長度方向CTE為-0.5μm/moC，熱導率600-750 W/m·K，而垂直於碳纖維長度方向的 CTE為8μm/moC,熱導率為51-59 W/m·K，比沿纖維長度方向的熱導率至少低一個數量級。這與纖維本身的 屬滲透灌注入事先放置碳纖維預形體的模內，即所謂的PIC（Pressure Infiltration Casting）法[12]。另外也可以用熱壓鍵結法(Hot pressing bonding) 來成型，其做法是將碳纖維以三明治方式積層排列在鋁片或銅片之間，然 Science Inc以VGCF作強化材，壓力鑄造之鋁基複材的熱傳導率高達642 W/m·K(碳纖維體積分率為0.37)，CTE為5~7μm/moC，密度只有2.5 g/cm3 [13~15 ] 。就 K1100碳纖維強化材來說，ThermaGraph所開發的碳/鋁複材 碳纖維體積分率不高約為0.22，熱傳導率僅達290 W/m·K，後續的研究可
加強碳纖維體積分率，以提高熱傳導效率。
2. 發泡碳/鋁複合材料(Carbon foam/Al composites)
發泡碳首次於1964年被WalterD.Ford等人提出，製作方式是以熱固性高 分子基樹脂做為碳的前驅物，在無氧的氣氛下被加熱至600°F，加熱至此 溫度會有許多的揮發物由樹脂中逃逸出來，被揮發出之同時會在熱固性的 樹脂中留下氣體孔洞，如持續升溫讓樹酯固化及碳化，如此便會形成多孔 性的材料，後經適當的碳化及石墨化形成發泡碳。
發泡碳具有低密度、耐火、吸波、低熱膨脹係數及耐化學腐蝕等優異 性能。早期發泡碳主要應用於航太工業、化工廠的大型熱交換器、輪船等 的耐火門窗、火箭及太空梭在推動機的噴嘴部分等領域。發泡碳經石墨化 後變成發泡石墨，其骨架碳原子排列的不同，可作為導熱的用途。近年嘗 試應用在電子散熱領域上，而具有良好的熱傳導效能。
Allcomp, Inc公司開發出利用液態鋁或銅合金滲透多孔性碳/碳複材 (carbon foam/carbon), 其中carbon foam/Al 複材及carbon foam/Cu 複材(50%) 在 X-Y-Z 方 向 的 熱 傳 導 率 分 別 達 到 160/190/326 W/m·K 和 280/300/450 W/m·K[16]，其最大特色就是X-Y-Z三個方向的熱傳導率均相當。
2.4.2 碳/碳複合材料(Carbon/ Carbon composites)
碳/碳複合材料是由碳纖維或各種碳織物增強碳，或石墨化的樹酯(或 瀝青)及化學氣相沉積(CVD)碳所形成的複合材料。不但具有石墨化的特性
，也具有碳纖維的優越性能，是一種具有特殊功能的新型工程材料。
碳/碳複合材料是碳纖維強化碳基地的複合材料，它的性質依碳纖維的
種類、碳基地、製程程序以及碳纖維分散情況而異。碳纖維可能是丙烯脛 基PAN或是瀝青基Pitch-based所獲得，其熱傳導率由20~1100 W/m·K (纖維方向）變化。另外也可利用化學氣相沉積法(CVD)所製得的VGCF碳 常見的有二種，即液體含浸法(Liquid Infiltration LI)及化學氣相滲入法 (Chemical Vapor Infiltration CVI)，此類製成的碳基地會傾向於往纖維方向 排列，如果再經高溫石墨化則熱傳導率可達200-1500W/m·K。美國Enertron,
Material Density g/cm3
2.4.3 鑽石/鋁複合材料(Diamond/Al composites)
CVD鑽石熱傳導率高達2200W/m·K，它有非常低的介電常數，所以 它是一種最佳的散熱材料，因此它可以用在高功率電子、光電子裝置、微 波二極體、雷射二極體及GaAs功率電晶體的均熱片以及其他各種散熱上的 應用。
CVD鑽石膜的製作方式非常多，包括熱燈絲法、微波電漿CVD法、
DC電漿、RF電漿和DC電漿噴射CVD等等方法，其主要的原理是利用碳氫 化合物氣體熱化學分解將碳沉積在適當環境的基材上，而長成鑽石膜。不 過由於CVD鑽石的生產速率極慢，因此其成本相對地比其它材料貴相當多
。Dymalloy是Sun Microsystem 和 Lawrence Livermore National Lab.共同開 發的產品，它是將鑽石膜塗著在銅表面上，用來作為熱管理的高性能均熱 片[20]，其熱傳導率為420 W/m·K，CTE值為5.5μm/moC, 與半導體及基板 材料之CTE相匹配，不過比重仍與銅相當。近來有許多研究是在Si上直接 長CVD鑽石膜，以利半導體元件之熱擴散，其未來之發展亦頗值得注意。
除了CVD鑽石膜外，還有一種利用高溫高壓合成的鑽石，其熱傳導率 亦相當高。Novatek, Inc提出高溫高壓合成多晶鑽石技術[21]，主要利用高 溫高壓合成技術製作出的多晶體鑽石(polycrystalline diamond ,PCD)片，其 熱傳導率可達 700 W/m·K，約為一般純銅的二倍，同時其價格要比利用 CVD製程所作的要來得便宜好幾倍，並且它可以大量生產。
高壓合成多晶鑽石PCD係具有等方向性和均勻性的鍵結產品，因此其 熱傳導在每一方向均相當均勻，這與CVD、PCD只有在垂直表面方面具有
具有相當高的熱傳導率，且是等向的，表2.3所示為幾種等級的Diamond/Al 複材，可以發現其三個方向的熱傳導率均在550~600 W/m·K之間，遠比純 銅高，且熱膨脹係數只有7.5μm/moC，與GaAs相當接近，重量又輕，是一 相當好的高階材料，適用於高階的光電產品上。圖2.4所示為Diamond/Al 複材的顯微結構及產品。
表2.3 鑽石顆粒強化鋁基複合材料之性質 Thermal properties for various diamond composites Description KC
Trans
and KC
Through-thick.
(W/mK)
CTE (μm/moC) (through thickness)
Grade 1 653.592 -
Grade 2 524.553 -
Grade 3 569.560 7.5
圖2.4 Diamond/Al 複材的顯微結構[22]