CN107845616A - 嵌套式超高导热金刚石膜/硅基复合材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种新型嵌套式超高导热金刚石膜/硅基复合材料及其制备方法，借助金刚石导热无方向性，以多尺度阵列通道提供厚度为支撑，在结构设计上实现生长毫米级厚度超高导热金刚石薄膜；最终制备出具有高导热率、低膨胀系数、好的绝缘性和高电阻率的超高导热金刚石复合连通导热骨架结构的散热基板材料。

Description

嵌套式超高导热金刚石膜/硅基复合材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种高导热基板散热材料领域，特别是涉及一种新型嵌套式超高导热金刚石膜/硅基复合材料及其制备方法。
背景技术
随着电子及通讯技术的发展，高性能芯片和大规模集成电路的使用越来越广泛。电子器件芯片的集成度、封装密度以及工作频率不断提高，而体积却逐渐缩小，这些都使芯片的热流密度迅速升高。电子元件的温度在正常工作温度水平上降低1℃，其故障率可减少4％；若增加10～20℃，则故障率提高100％。造成电子元器件发生故障的主要原因就是散热问题，由它导致的故障占总故障率的55％。这些大功率元器件和系统迫切需求新型导热材料的出现，并对导热材料提出更高的要求。这就要求基板和封装材料具有越来越优异的性能，如高热导率、低膨胀系数、低介电系数和热稳定性。电子器件散热技术越来越成为电子产品开发、研制中非常关键的技术，电子器件散热性能的好坏直接影响到电子产品可靠性以及工作稳定性。为了满足未来更高功率半导体、微电子器件等如微处理器、高功率射频器件、激光二极管和光发射二极管的电子封装问题，必须开展新型超高导热率电子封装基板材料体系。
散热是制约微电子器件高度集成发展的关键因素，高性能热排散基板材料的基本要求是超高的热导率、低的热膨胀系数和高的电阻率。金属基(如铜、铝、银等金属)/金刚石复合材料的热导率介于300～900W/(m·K)，但是之间其热膨胀系数均较高，一般大于5.8×10-6/K，常用的Si和GaN半导体材料的热膨胀系数分别为4.2×10-6/K和2.1×10-6/K。在使用过程中会产生很高的热应力，这也限制了金刚石/金属基复合材料的应用。为了降低或减少半导体材料因工作而产生大量的热量、工作稳定性变差以及寿命变短等问题，开发与半导体材料相匹配的新型散热基板材料已成为超高热导率、低的热膨胀系数以及绝缘性的基板材料的应用技术瓶颈。
金刚石是热导率最高的材料，金刚石的热导率可达2000～2200W/(m·K)，极高的导热系数可以负担电子器件内部高热量传递和散失，其热膨胀系数也只有0.8×10-6/K，较低的热膨胀系数易于电子器件的封装，不易产生热应力；金刚石的电阻率高，在高频和大功率器件中不易发生膜击穿，能保持器件的正常工作。但是直接采用金刚石作为散热材料存在的问题：生长满足于散热薄膜厚度需要过长的时间；薄膜硬而脆，难以二次加工成所需散热基板的形状。因此，如何将金刚石超高热导率的优点应用到热管理中一直是人们关心的问题。
发明内容
本发明主要解决的技术问题是实现毫米级超高导热金刚石膜的生长,提出一种嵌套式超高导热金刚石膜/硅基复合材料及其制备方法；将金刚石与其它基体材料结合应用，所以，选择一种低膨胀系数的基体材料例如金属钼、钨、硅、钒等容易在金刚石表面形成碳膜的基体(它作为一种空间架构网络结构，金刚石可以在网络结构中定向生长)，并且能够与金刚石很好的湿润，是解决这一问题的关键。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
本发明采用的第一种方案是：一种嵌套式超高导热金刚石膜/硅基复合材料，其特征在于，包括作为导热骨架的硅基体，在所述的硅基体上加工多个通孔以形成阵列通道，在所述的硅基体的外表面和所述的阵列通道内表面覆盖有金刚石膜。这种产品的金刚石膜覆盖阵列通道内表面及其基体表面，其阵列通道还是一个通孔状。
硅基体作为一种空间架构网络结构，金刚石可以在网络结构中定向生长。
进一步的，在同一个硅基体上加工多个相同尺寸的通孔。
进一步的，在同一个硅基体上加工多个不同尺寸的通孔。
进一步的，所述的硅基体能由钼，钨，钒代替。
本发明采用的第二种方案是：一种嵌套式超高导热金刚石膜/硅基复合材料，其特征在于，包括作为导热骨架的硅基体，在所述的硅基体上加工多个通孔以形成阵列通道，在所述的硅基体的外表面和所述的阵列通道内填充有金刚石膜。这种产品的金刚石膜完全或者非完全地填充在了阵列通道内，整个产品呈现的是实心状；硅基体作为一种空间架构网络结构，金刚石可以在网络结构中定向生长。
进一步的，在同一个硅基体上加工多个相同尺寸的通孔。
进一步的，在同一个硅基体上加工多个不同尺寸的通孔。
进一步的，所述的所述的硅基体能由钼，钨，钒代替。
上述的嵌套式超高导热金刚石膜/硅基复合材料的制备方法如下：
1)选择硅基体厚度尺寸；
2)根据硅基体厚度以及厚径比，确定多尺度阵列孔的加工直径；
3)加工硅基体阵列孔；
4)将金刚石微粉涂覆硅基体孔径内部；
5)使金刚石薄膜快速生长。
进一步的，步骤3)中采用飞秒激光加工硅基体多尺度阵列孔结构，激光器能够保证加工所需的参数，且易于加工。
进一步的，所述的步骤4)的具体方法如下：
选用金刚石微粉，把金刚石微粉、乙醇和聚乙烯混合在一起，配置成悬浮液，将悬浮液放在一个容器中，然后把通过激光加工的硅基体放入该容器中，再把该容器放入到超声波中，进行金刚石微粉的涂覆，使金刚石微粉涂覆在硅基体的阵列孔内部。
进一步的，所述的步骤5)的具体方法如下：
将步骤4)得到的硅基体放入到真空反应室内，进行抽真空，再先充入氢气，然后再通入甲烷气或/和碳氢化合物；打开微波电源微波放电，在反应室内发生电离，甲烷气或碳氢化物分解，电离一段时间后，放入反应室的工件表面，热沉人造金刚石薄膜。
本发明借助金刚石导热无方向性，以多尺度阵列通道提供厚度为支撑，在结构设计上实现生长毫米级厚度超高导热金刚石薄膜；最终制备出具有高导热率、低膨胀系数、好的绝缘性和高电阻率的超高导热金刚石复合连通导热骨架结构的散热基板材料。
本发明的有益效果是：
本发明分利用多尺度空间阵列通道超高导热金刚石复合连通导热骨架结构独特优势，设计制备出具有高导热率、低膨胀系数、好的绝缘性和高电阻率的超高导热金刚石复合连通导热骨架结构的散热基板材料，实现多尺度通道结构可控技术以及超高导热薄膜在多尺度阵列通道内的构筑方法。
提出超高导热薄膜在多尺度通道结构中的生长工艺技术，制备出一类连通超高导热金刚石骨架结构，为新型高性能散热基板“器件散热结构功能一体化”的制备提供新方法，利用“多尺度空间阵列通道结构设计”和“金刚石薄膜高导热效应”弥补甚至消除金刚石薄膜散热的局限性，解决毫米级厚度金刚石散热存在问题，为新型散热复合材料的制备开辟新途径。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。
图1是本发明一种多尺度通道阵列结构设计示意图；
图2是一种飞秒激光加工多尺度阵列通孔技术路线示意图；
图3是生长金刚石薄膜实验设计示意图；
图4、图5是硅基微尺度通道阵列孔内生长金刚石厚膜微观结构。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
正如背景技术所介绍的，现有技术中如何将金刚石超高热导率的优点应用到热管理中一直是人们关心的问题；为了解决如上的技术问题，本申请提出了一种解决的途径，将金刚石与其它基体材料结合应用，所以，选择一种低膨胀系数的基体材料(它作为一种空间架构网络结构，金刚石可以在网络结构中定向生长)，并且能够与金刚石很好的湿润，是解决这一问题的关键。
本申请的一种典型的实施方式中，如图1、3所示，一种新型嵌套式超高导热金刚石膜/硅基复合材料，是一种基于多尺度空间阵列通道方法，在硅基体上利用飞秒激光加工多尺度空间阵列通道，在其阵列通道内设计和制备超高导热金刚石薄膜，得到一种多尺度空间阵列超高导热金刚石复合连通导热骨架结构.
具体得到的结构是：嵌套式超高导热金刚石膜/硅基复合材料，包括作为导热骨架的硅基体，在所述的硅基体上加工有多个微尺寸通孔以形成阵列通道，在所述的硅基体的外表面和所述的阵列通道内覆盖有金刚石膜。
如图3所示得到的结果包括两种，金刚石膜在成长后可以完全填充阵列通道，或者不完全填充阵列通道；当完全填充后，整个产品呈现的是实心状；当不完全填充阵列通道，这种产品的金刚石膜只是覆盖阵列通道内表面，其阵列通道还是一个通孔状。
进一步的，在同一个硅基体上加工多个相同尺寸的通孔，根据实际需要进行相应的设计即可；
进一步的，在同一个硅基体上加工多个不同尺寸的通孔；根据实际需要进行相应的设计即可；
具体制备方式以及实施例如下：
实例一，
1)硅基体厚度尺寸选择,选用硅基体厚度1mm、2mm、3mm、4mm。
2)纳米尺度阵列孔尺寸选择，根据加工厚径比选取纳米尺度阵列孔加工直径500nm、600nm、700nm、800nm、900nm、1000nm。
3)加工硅基体阵列孔结构,采用飞秒激光(Nd:YAG固体激光器)加工硅基体纳米尺度阵列孔结构，采用飞秒激光(Nd:YAG固体激光器)加工硅基体纳米尺度阵列孔结构，飞秒激光加工纳米尺度孔效率高(1s可以在5mm厚度的钢板上得到500个直径为Φ0.08mm小孔)，激光器加工参数：平均功率0～300W；峰值激光功率0～1KW；激光脉冲能量0～20J；脉冲频率0～500HZ；脉冲宽度0.1ms～10ms。激光器能够保证加工所需的参数，且易于加工纳米孔径。
4)硅基体处理：选用粒度<100nm的金刚石微粉，把金刚石微粉、乙醇和聚乙烯混合在一起的配置悬浮液，通过激光加工的硅基体放入配置好的悬浮液烧杯中；再把烧杯放入超声波中，选用一种频率高于20000赫兹的超声波有利于金刚石微粉涂覆硅基体孔径内部。
5)金刚石薄膜快速生长工艺，不同厚度的硅基体经过处理后放入微波等离子合成金刚石薄膜装置的真空反应室内，抽真空使其真空度达到Pa-1后，系统中的氧含量不得超过0.05‰，先充入氢气，再通入甲烷气或者碳氢化合物，其浓度比例甲烷或者碳氢化合物：氢气为1～3:500、600、700、1000，打开微波电源微波放电，在反应室内发生电离，甲烷气或碳氢化物分解，混合气流量为30～50mm3/分，反应区的压力分别为0.3、0.5、0.7Pa，工件表面温度为700～1050℃，微波电离反应时间5小时，放入反应室的工件表面，热沉上200nm厚的人造金刚石薄膜，沉积速度为40nm/h。
实例二，
1)硅基体厚度尺寸选择,可选用硅基体厚度1mm、2mm、3mm、4mm、5mm。
2)毫米尺度阵列孔尺寸选择，根据加工厚径比选取毫米尺度阵列孔加工直径50μm、100μm、200μm、300μm、400μm、500μm。
3)加工硅基体阵列孔结构,采用飞秒激光(Nd:YAG固体激光器)加工硅基体微尺度阵列孔结构，采用飞秒激光(Nd:YAG固体激光器)加工硅基体微尺度阵列孔结构，飞秒激光加工微尺度孔效率高(1s可以在5mm厚度的钢板上得到500个直径为Φ0.08mm小孔)，激光器加工参数：平均功率0～500W；峰值激光功率0～5KW；激光脉冲能量0～60J；脉冲频率0～1000HZ；脉冲宽度0.1ms～10ms。激光器能够保证加工所需的参数，且易于加工。
4)硅基体处理：选用粒度<0.5μm的金刚石微粉，把金刚石微粉、乙醇和聚乙烯混合在一起的配置悬浮液,有利于金刚石微粉附着在硅基体内表面，从而增强碳氢键的结合。通过激光加工的硅基体放入配置好的悬浮液烧杯中；再把烧杯放入超声波中，选用一种频率高于20000赫兹的超声波有利于金刚石微粉涂覆硅基体孔径内部，增强金刚石的沉积速率。
5)金刚石薄膜快速生长工艺，不同厚度的硅基体经过处理后放入微波等离子合成金刚石薄膜装置的真空反应室内，抽真空使其真空度达到Pa-1后，系统中的氧含量不得超过0.05‰，先充入氢气，再通入甲烷气和二氧化碳，其浓度比例甲烷：二氧化碳：氢气为1～3：0.1～0.5：500、600、700、1000，打开微波电源微波放电，在反应室内发生电离，甲烷气或碳氢化物分解，混合气流量为30～50cm3/分，反应区的压力分别为0.3、0.5、0.7Pa，工件表面温度为700～1050℃，微波电离反应时间5小时，放入反应室的工件表面，热沉500μm上厚的人造金刚石薄膜，沉积速度为10μm/h。
实例三，
1)硅基体厚度尺寸选择,可选用硅基体厚度1mm、2mm、3mm、4mm、5mm。
2)毫米尺度阵列孔尺寸选择，根据加工厚径比选取毫米尺度阵列孔加工直径1mm、1.5mm、2mm、2.5mm、3mm、3.5mm。
3)加工硅基体阵列孔结构,采用飞秒激光(Nd:YAG固体激光器)加工硅基体毫米尺度阵列孔结构，采用飞秒激光(Nd:YAG固体激光器)加工硅基体毫米尺度阵列孔结构，飞秒激光加工毫米尺度孔效率高(1s可以在5mm厚度的钢板上得到500个直径为Φ0.08mm小孔)，激光器加工参数：平均功率0～1000W；峰值激光功率0～10KW；激光脉冲能量0～100J；脉冲频率0～1000HZ；脉冲宽度0.1ms～10ms。激光器能够保证加工所需的参数，且易于加工。
4)硅基体处理：选用粒度<10μm的金刚石微粉，把金刚石微粉、乙醇和聚乙烯混合在一起的配置悬浮液,有利于金刚石微粉附着在硅基体内表面，从而增强碳氢键的结合。通过激光加工的硅基体放入配置好的悬浮液烧杯中；再把烧杯放入超声波中，选用一种频率高于20000赫兹的超声波有利于金刚石微粉涂覆硅基体孔径内部，增强金刚石薄膜的快速沉积。
5)金刚石薄膜快速生长工艺，不同厚度的硅基体经过处理后放入微波等离子合成金刚石薄膜装置的真空反应室内，抽真空使其真空度达到Pa-1后，系统中的氧含量不得超过0.05‰，先充入氢气，再通入甲烷气和二氧化碳，其浓度比例甲烷：二氧化碳：氢气为100：1～10：500、600、700、1000，打开微波电源微波放电，在反应室内发生电离，甲烷气和二氧化碳气分解，混合气流量为3～5m3/分，反应区的压力分别为0.3、0.5、0.7Pa，工件表面温度为700～1050℃，微波电离反应时间2小时，放入反应室的工件表面，热沉1mm上厚的人造金刚石薄膜，沉积速度为1mm/h。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种嵌套式超高导热金刚石膜/硅基复合材料，其特征在于，包括作为导热骨架的硅基体，在所述的硅基体上加工多个通孔以形成阵列通道，在所述的硅基体的外表面和所述的阵列通道内表面覆盖有金刚石膜。
2.如权利要求1所述的嵌套式超高导热金刚石膜/硅基复合材料，其特征在于，在同一个硅基体上加工多个相同尺寸的通孔,或者在同一个硅基体上加工多个不同尺寸的通孔。
3.如权利要求1所述的嵌套式超高导热金刚石膜/硅基复合材料，其特征在于，所述的硅基体能由钼，钨，钒代替。
4.一种嵌套式超高导热金刚石膜/硅基复合材料，其特征在于，包括作为导热骨架的硅基体，在所述的硅基体上加工多个通孔以形成阵列通道，在所述的硅基体的外表面和所述的阵列通道内填充有金刚石膜。
5.如权利要求4所述的嵌套式超高导热金刚石膜/硅基复合材料，其特征在于，在同一个硅基体上加工多个相同尺寸的通孔；或者在同一个硅基体上加工多个不同尺寸的通孔。
6.如权利要求4所述的嵌套式超高导热金刚石膜/硅基复合材料，其特征在于，所述的硅基体能由钼，钨，钒代替。
7.如权利要求1-6任一所述的嵌套式超高导热金刚石膜/硅基复合材料的制备方法，其特征在于，如下：
1)选择硅基体厚度尺寸；
2)根据硅基体厚度以及厚径比，确定多尺度阵列孔的加工直径；
3)加工硅基体阵列孔；
4)将金刚石微粉涂覆硅基体孔径内部；
5)使金刚石薄膜快速生长。
8.如权利要求7所述的嵌套式超高导热金刚石膜/硅基复合材料的制备方法，其特征在于，步骤3)中采用飞秒激光加工技术加工硅基体上的阵列孔。
9.如权利要求7所述的嵌套式超高导热金刚石膜/硅基复合材料的制备方法，所述的步骤4)的具体方法如下：
选用金刚石微粉，把金刚石微粉、乙醇和聚乙烯混合在一起，配置成悬浮液，将悬浮液放在一个容器中，然后把通过激光加工的硅基体放入该容器中，再把该容器放入到超声波中，进行金刚石微粉的涂覆，使金刚石微粉涂覆在硅基体的阵列孔内部。
10.如权利要求7所述的嵌套式超高导热金刚石膜/硅基复合材料的制备方法，所述的步骤5)的具体方法如下：
将步骤4)得到的硅基体放入到真空反应室内，进行抽真空，再充入氢气，然后再通入甲烷气或者碳氢化合物；打开微波电源微波放电，在反应室内发生电离，甲烷气或/和碳氢化物分解，电离一段时间后，放入反应室的工件表面，热沉人造金刚石薄膜。
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