Quantitative Bestimmung lokaler thermischer Eigenschaften in polykristallinem Diamant

Thema des vorliegenden Buches ist die mikroskopische Untersuchung der thermischen Eigenschaften von polykristallinem Diamant. Diese industriell herstellbaren Diamanten sollen als Wärmeverteiler in elektronischen Strukturen die Wärmeabfuhr verbessern und somit zu einer Erhöhung der Leistungsfähigkeit mikroelektronischer Bauteilen beitragen („Thermal Management“). Künstlicher Diamant besteht aus kleinen Diamantkristalliten (Durchmesser zwischen 1 und 100µm), die voneinander durch Korngrenzen getrennt sind und bleibt mit seiner Wärmeleitfähigkeit deutlich hinter der von einkristallinem Naturdiamant zurück. Während Naturdiamant mit über 2000W/mK die höchste Wärmeleitfähigkeit aller Materialien bei Raumtemperatur besitzt, schwankt der Wert für künstlichen, polykristallinen Diamant zwischen 1000 und 2000W/mK, abhängig von der Probe und der verwendeten Meßmethode. Ziel der Arbeit ist es, den Grund für die niedrigere Wärmeleitfähigkeit und deren Abhängigkeit von der verwendeten Meßmethode zu erklären. Dazu wird eine Meßapparatur präsentiert, mit der erstmals eine mikrometergenaue Bestimmung der Wärmeleitfähigkeit innerhalb einzelner Diamantkristallite sowie des thermischen Widerstandes einzelner Korngrenzen zwischen den Kristalliten möglich ist. Die Untersuchungen zeigen, daß die Wärmeleitfähigkeit in den Kristalliten der von Naturdiamant entspricht und die niedrigen Leitfähigkeitswerte der polykristallinen Diamanten hauptsächlich von den Korngrenzen verursacht werden. Ausgehend von den mikroskopischen Werten für die Wärmeleitfähigkeit innerhalb der Kristalle und des thermischen Widerstandes zwischen ihnen wird mit Hilfe theoretischer Modelle die makroskopische Wärmeleitfähigkeit in polykristallinen Proben vorhergesagt. Diese Ergebnisse zeigen, daß die Wärmeleitfähigkeit polykristalliner Diamanten empfindlich von der Wärmestromgeometrie beeinflußt wird und erklären damit die Abhängigkeit der gemessenen Wärmeleitfähigkeit von der verwendeten Meßmethode. So erreicht die Wärmeleitfähigkeit der polykristallinen Diamanten für eindimensionalen Wärmestrom fast den Wert für Naturdiamant, während die Wärmeleitfähigkeit im dreidimensionalen Fall bis zu zwei Größenordnung niedriger liegt. Damit ermöglicht die vorgestellte Meßmethode zusammen mit den entwickelten theoretischen Modellen eine quantitative Einordnung von künstlichen Diamanten für ihre praktische Anwendung als Wärmeverteiler in mikroelektronischen Bauteilen.