CN110088658A - 合成金刚石板 - Google Patents

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Abstract

合成金刚石板，其包含：由合成金刚石材料形成的多边形，合成金刚石材料的该多边形板具有在0.4mm至1mm范围内的厚度；和具有曲率半径在1mm至6mm范围内的圆角。还公开了安装的合成金刚石板，其包含如所述的多边形合成金刚石板和该多边形合成金刚石板所连接的基体，其中该基体包含冷却通道。还描述了安装的合成金刚石板阵列，其包含多个以上所述的安装的合成金刚石板，其中接合安装的合成金刚石板的冷却通道以形成跨过安装的合成金刚石板阵列的共同冷却通道。

Description

合成金刚石板
美国政府权益声明
按照由美国空军授予的合同编号FA8651-14-C-0175，这一发明是在美国政府支持下完成的。美国政府拥有这一发明中的某些权益。
发明领域
本发明涉及合成金刚石板、这样的板材的阵列和对于这样的板材而言的安装配置。
发明背景
合成金刚石材料的板材现在可以以各种不同的等级获得并且用于一系列应用。实例包括用于光学应用的光学级合成金刚石材料、在半导体应用中用于热管理的热学级合成金刚石材料、和在电化学应用中用于电极的导电的硼掺杂的金刚石等级。合成金刚石材料对于这样的应用而言具有许多有利特征，其包括极端的硬度、跨过宽频率范围的高光学透明度、高热导率、化学惰性和宽的电位窗口。
在利用合成金刚石板用于某些应用中仍然存在一些问题。对于需要大面积板材的应用而言主要的限制之一是合成金刚石材料的板材仅可获得最高至一定尺寸。这种尺寸限制是由于难以产生和维持在大面积上生长金刚石材料所需要的极端条件。目前可获得的最大的高品质合成金刚石板是多晶化学气相沉积(CVD)金刚石板材，可将其制造为直径最高至约120mm的圆形晶片。这样的大面积晶片的圆形对称性是从合成方法中使用的微波等离子体活化的化学气相沉积设备的圆形对称性所固有的。
虽然合成金刚石板具有极端的硬度和耐刮擦性，但是如果未正确安装和操作，金刚石材料脆并且可易于开裂。此外，高硬度和低韧性的组合可使金刚石材料在没有使材料开裂或引入显著表面和次表面损伤的情况下难以加工成精确的几何形状。
更进一步，虽然金刚石的化学惰性对于许多应用而言可为优势，但是这确实意味着使用标准胶黏剂和安装结构可难以连接金刚石部件至安装配置中。更进一步，虽然金刚石材料的低热膨胀系数可为有利的，例如用于避免热透镜效应，但是金刚石材料的刚性连同与安装材料热膨胀不匹配一起可导致金刚石部件的热诱发应力和潜在的脱落或开裂。
从以上将明显的是金刚石材料的许多有利特征还在将材料制造成工程零件并将那些零件集成至装置中时引起问题。这就是说，金刚石加工、涂覆、安装和连接技术的发展现在能够实现控制金刚石并使金刚石定制成一系列形状并且集成和连接至大范围的装置和应用中。例如，在金刚石加工技术中的进步能够实现复杂的三维金刚石工具几何形状和光学部件的制造。表面精加工技术现在可实现用于先进光学应用的极端平整度和光滑度水平与低表面损伤水平。可精确地使金刚石表面绘制图案从而模仿蛾眼的结构以实现抗反射表面和衍射光学器件而不需要进一步的表面涂层从而在高功率应用中提高金刚石光学器件的损伤阀值。更进一步，已经开发了金属化和连接方案以将金刚石部件集成至具有高程度的机械稳定性和提高的热性能的电子和光学装置中。对于先进高功率半导体装置，还已经开发了技术以将金刚石材料直接生长至半导体部件上--实现热性能方面阶梯改变的直接集成。
尽管在合成金刚石部件的尺寸和形式和用于将这样的部件集成至装置中的方法方面取得了显著进步，但是仍然存在限制并且对于采用使金刚石材料的有利特征最大化同时使由材料极端性质引起的劣势最小化的方式来设计、制造和集成合成金刚石部件至装置中而言并非是无关紧要的。
发明概述
本发明人已经意识到对于需要大面积金刚石部件的某些应用而言，那么利用多个合成金刚石板而不是单个大面积合成金刚石板来制造这样的部件可为有利的或甚至所需要的。这可为如果对于最终应用而言面积要求超过目前可得的合成金刚石板尺寸的情况。甚至当应用尺寸要求落入目前尺寸限制内时，如果该应用在合成金刚石板上运用大应力(其可导致单个大面积金刚石部件的开裂)，可有利的利用多个较小的合成金刚石板以减小开裂失效的影响。如此，使用合成金刚石板阵列将有利地解决一些应用以提高部件的尺寸和坚固性。使用合成金刚石板阵列还提高柔性程度以形成宽范围的几何形状配置，其包括平面和非平面配置。
根据以上，本发明人考虑了对于提供合成金刚石板阵列而言的要求。在这个方面，第一个问题是如之前指出的目前可获得的大的高品质合成金刚石板是多晶CVD金刚石板材，其形式通常为圆形，圆形对称性是从合成方法中使用的微波等离子体活化的化学气相沉积设备的圆形对称性所固有的。这样的圆形合成金刚石板阵列包括在圆形板材之间的大量间隙。
为了在相邻板材之间仅具有小间隙的合成金刚石板阵列，那么将优选多边形合成金刚石板形状，例如三角形的、正方形的、长方形的、梯形的、五边形的或六边形的。优选的多边形形状将取决于期望的阵列几何形状，其包括阵列是平面的还是非平面的。
对于大多数材料而言，选择期望的多边形板几何形状不会是特别有问题的。然而，这对于合成金刚石材料而言可为有问题的，这是由于它的极端硬度、低韧性、低热膨胀系数和提供强且可靠的连接的难度。提供具有非圆形几何形状的稳定安装的合成金刚石板是特别有问题的，因为安装的多边形合成金刚石板在角区域易受高应力。如果合成金刚石板在使用中经受大量机械和热应力从而导致板的脱落或开裂，则加剧了这种问题。
根据以上，本发明人确定了：(i)使用合成金刚石板阵列将最适合某些应用；(ii)在没有在相邻板材之间留下大间隙的情况下典型的圆形合成金刚石板没有堆积在一起，并因此可紧密堆积在一起从而留下较小间隙的多边形合成金刚石板阵列对于某些应用而言将是优选的；(iii)需要仔细设计多边形合成金刚石板的几何形状以减小使用中特别是在角区域中的应力；和(iv)还需要仔细设计安装配置以减小使用中特别是在角区域中的应力。
根据本发明的第一方面，提供了合成金刚石板，其包含：
由合成金刚石材料形成的多边形板，合成金刚石材料的该多边形板具有在0.4mm至1.5mm范围内的厚度，和
具有曲率半径在1mm至6mm范围内的圆角。
相对于本发明的这个方面，发现了厚度和角曲率半径的组合对于提供多边形合成金刚石板是重要的，该多边形合成金刚石板具有足够的强度并且当在使用中安装时在角处具有减小的应力集中。
根据本发明的第二方面，提供了阵列，其包含多个根据本发明的第一方面的多边形合成金刚石板。可紧密堆积多边形形状的合成金刚石板以形成与圆形板材对比具有减小的间隙区域的阵列。
根据本发明的第三方面，提供了安装的合成金刚石板，其包含：
根据本发明的第一方面的多边形合成金刚石板；和
该多边形合成金刚石板所连接的基体，
其中该基体包含冷却通道。
相对于本发明的这个方面，发现了在安装的多边形合成金刚石板的基体中设置冷却通道可进一步减小在多边形合成金刚石板的角中的应力集中。
根据本发明的第四方面，提供了安装的合成金刚石板阵列，其包含：
多个根据本发明的第三方面的安装的合成金刚石板，
其中接合该安装的合成金刚石板的冷却通道以形成跨过该安装的合成金刚石板阵列的共同冷却通道。
相对于本发明的这个方面，发现了可接合安装的合成金刚石板阵列以具有共同的冷却通道来减小多边形合成金刚石板的角中的应力集中同时维持相对简单的冷却系统结构。
在详细描述中描述包括进一步的任选和优选特征的本发明的实施方案。
附图简要描述
为了更好的理解本发明并且显示可如何实施本发明，现在将仅参考附图通过实例的方式描述本发明的实施方案，其中：
图1(a)至1(f)显示多边形合成金刚石板的示意说明：(a)三角形的；(b)正方形的；(c)长方形的；(d)梯形的；(e)五边形的；或(f)六边形的；
图2(a)和2(b)显示安装的多边形合成金刚石板的不同视图；
图3显示具有冷却通道的安装的合成金刚石板阵列，该冷却通道通过冷却块接合以形成共同的冷却通道；和
图4显示在其上安装了安装的合成金刚石板阵列的支撑板。
详细描述
如发明概述部分中描述的，本发明的一个方面涉及制造可配置成阵列的多边形合成金刚石板。例如，合成金刚石材料的多边形板材可如图1(a)至1(f)中说明的那样为三角形的、正方形的、长方形的、梯形的、五边形的或六边形的。优选的多边形形状将取决于期望的阵列几何形状，其包括阵列是平面的还是非平面的。例如，三角形的、正方形的、长方形的和六边形的板材可用于形成平面阵列，然而梯形的和五边形的板材更适合于制造非平面的阵列例如在圆锥或曲面安装配置上。
发现了多边形合成金刚石板的厚度t和角曲率半径r的组合对于提供具有足够的强度并且当在使用中安装时在角处具有减小的应力集中并且同时还提供足够的热扩散能力的多边形合成金刚石板是重要的。合成金刚石材料的多边形板材具有在0.4mm至1.5mm范围内并且任选地在4mm至1.2mm、0.4mm至1.0mm、0.4mm至0.8mm、或0.5mm至0.7mm范围内的厚度。合成金刚石材料的多边形板材还具有圆角，该圆角具有在1mm至6mm范围内并任选地在1mm至5mm、2mm至4mm、或2mm至3mm范围内的曲率半径。合成金刚石材料的多边形板材可具有在20mm至120mm、20mm至100mm、20mm至80mm、20mm至60mm、或20mm至40mm范围内的最大线性尺寸。这样的板材可由多晶CVD金刚石材料形成。合成金刚石材料的类型和等级将取决于最终应用要求。例如，多边形合成金刚石板可由光学级合成金刚石材料形成，并且这样的板材的阵列可使用每个多边形合成金刚石板来形成光学窗口从而限定清晰孔隙用于光传输。供选择地，多边形合成金刚石板可由热学级合成金刚石材料形成并且这样的板材的阵列可形成安装在散热器上的热扩散基材用于多个半导体部件的热管理。仍然供选择地，多边形合成金刚石板可由导电的硼掺杂的金刚石材料形成并且这样的板材的阵列可形成电极阵列用于电化学应用。
发现了对于多边形合成金刚石板而言，不论是从合成金刚石板的角度还是在其上连接板的支架，从应力集中的角度来说锐角是不利的。例如，值得注意的是正方形板几何形状比圆形板几何形状具有在合成金刚石板的角中显著更高的最大主应力。这里担心的是这些应力存在对合成金刚石板完整性的风险并且应观察的安全因素(例如使得最大应力至少小于对于合成金刚石开裂的理论值的四分之一)。对于不同的配置从-200至+200MPa绘制应力，工作假设是小于80MPa的值产生×4安全因素。例如，对于25mm方形的合成金刚石板而言，发现了在角处2mm曲率内径产生在合成金刚石板中和其上连接板的支架中应力显著下降，但是发现了将曲率半径提高至显著更大的值没有产生在应力减小方面实质的进一步改进。此外，保持曲率半径小避免不适当的清晰孔隙减小。如此，在合成金刚石材料的多边形板的角处存在曲率半径的优化范围。
通过模拟厚度例如在0.45mm和1.0mm之间变化的安装的金刚石板材来研究合成金刚石板变化的厚度的影响。0.45mm和0.5mm厚的合成金刚石窗口都受压缩，而对于0.6mm厚度和以上，合成金刚石板在板材的顶面受拉伸。提高厚度导致拉伸应力的提高，其可最终导致合成金刚石板失效。
减小多边形合成金刚石板的厚度并提供合适地圆角可因此确保板中的应力当连接至支架时基本上都是压缩的，所以不存在开裂的风险。然而，在基础强度方面并且还在热扩散能力方面对较薄窗口的有效性存在担忧。在这个方面，假设简化的边界条件为合成金刚石板的表面上均匀的0.83W/mm2热通量、25℃冷却液温度并且边界膜条件简化为产生5000W/m2K传热系数，机械模型作为稳定状态热模型运行。如所期待的，模型显示在这些条件下合成金刚石板越薄，运行稍微越热。如此，对于某些应用而言，大于0.4或0.45mm的板厚度可为优选的。
图2(a)显示安装的合成金刚石板的实例。安装的合成金刚石板包含如之前描述的多边形合成金刚石板20和多边形合成金刚石板20所连接的基体22。基体22包含具有入口26和出口28的冷却通道24。发现了在安装的多边形合成金刚石板的基体中设置冷却通道24可进一步减小在多边形合成金刚石板20的角中的应力集中。优选地，冷却通道24沿着多边形合成金刚石板20的多边形轮廓并且还具有如图2(a)中虚线所示的弧角，其显示冷却通道24通过基体22的路线。基体22限定孔隙30，跨过该孔隙30连接多边形合成金刚石板20以形成光学窗口。还在基体中设置紧固孔32用于安装至另一个支撑板以形成这种安装的合成金刚石板阵列。
图2(b)显示通过一部分安装的合成金刚石板的横截面。基体包含支架34(其中形成冷却通道24)和背板36(其密封冷却通道)。可由钼、钼合金、或碳化硅形成支架和背板。例如通过钎焊连接、扩散连接或其它合适的连接38、40将多边形合成金刚石板20和背板36连接至支架34。发现了提高通道下背板的厚度减小了多边形合成金刚石板和支架中的应力。还发现了使冷却通道变圆还帮助使支架变硬并且减小多边形合成金刚石板中的应力。更进一步，还发现了减小连接部38、40中一个或两个的厚度(例如至0.14mm)减小了多边形合成金刚石板中的应力。另外，减小连接部38、40的宽度(例如从5mm至3mm)再次实现应力的减小。因此，发现了对于冷却通道设置圆角、提高背板的厚度和减小连接部的厚度和宽度在安装的多边形合成金刚石板配置中都提供更有利的应力分布。
对于某些应用而言，通过连接将多边形合成金刚石板连接至基体，该连接具有小于800℃、700℃、600℃、500℃或400℃的连接温度。实例包括低温钎焊连接和低温金属扩散连接(例如使用金或铝)。低温连接有利于消除产生应力并潜在地导致金刚石板从期望的几何形状(例如精确的光学平整度)扭曲的在金刚石板和基体之间的热膨胀系数不匹配问题。
对于某些应用而言，应配置在多边形合成金刚石板和支架之间的连接部38和在背板和支架之间的连接部40两者为至<1×10-9mbar l/s无泄漏的。当这是关键的应用要求时，支架34和背板36所利用的材料必须还具有足够低的孔隙率以满足这一要求。
图3显示包含多个安装的合成金刚石板50、50’、50”的安装的合成金刚石板阵列。如之前描述的，每个安装的合成金刚石板包含多边形合成金刚石板20、20’、20”和多边形合成金刚石板所连接的基体22、22’、22”。每个基体包含具有入口和出口的冷却通道。接合安装的合成金刚石板的冷却通道以形成具有单个入口52和单个出口54的跨过安装的合成金刚石板阵列的共同冷却通道。在所示实施方案中，通过冷却块56(其中设置接合通道)接合相邻的安装的合成金刚石板的冷却通道。
图4显示支撑板60，可将每个安装的合成金刚石板安装至该支撑板60以形成阵列。支撑板60包含孔隙62和对应于每个安装的合成金刚石板中那些的紧固孔64。作为提供冷却块作为接合方式的替代，如图3中所示相邻的安装的合成金刚石板的冷却通道，可在支撑板中提供一个或多个通道以接合安装的合成金刚石板的冷却通道。
本发明的实施方案能够提供一系列几何形状并用于一系列应用的多边形合成金刚石板阵列。调查了合成金刚石板和安装配置的特性来考虑应力管理、强度和热性能。这些参数的管理还能够使安装的多边形合成金刚石板实现并保持高平整程度和几何形状稳定性，这对于某些应用而言可为关键的。
虽然参考实施方案已经特别显示并描述了这一发明，但是本领域技术人员将理解可在没有脱离由所附权利要求书限定的本发明范围的情况下进行形式和细节上的各种改变。

Claims (20)

1.合成金刚石板，包含：
由合成金刚石材料形成的多边形板，合成金刚石材料的该多边形板具有在0.4mm至1.5mm范围内的厚度，和
具有曲率半径在1mm至6mm范围内的圆角。
2.根据权利要求1所述的合成金刚石板，
其中该合成金刚石材料的多边形板是三角形的、正方形的、长方形的、梯形的、五边形的或六边形的。
3.根据权利要求1或2所述的合成金刚石板，
其中该厚度在0.4mm至1.2mm、0.4mm至1.0mm、0.4mm至0.8mm、或0.5mm至0.7mm范围内。
4.根据前述权利要求中任一项所述的合成金刚石板，
其中该圆角的曲率半径在1mm至5mm、2mm至4mm、或2mm至3mm范围内。
5.根据前述权利要求中任一项所述的合成金刚石板，
其中该合成金刚石材料的多边形板具有在20mm至120mm、20mm至100mm、20mm至80mm、20mm至60mm、或20mm至40mm范围内的最大线性尺寸。
6.根据前述权利要求中任一项所述的合成金刚石板，
其中该多边形板由多晶CVD金刚石材料形成。
7.阵列，包含多个根据前述权利要求中任一项所述的多边形合成金刚石板。
8.根据权利要求7所述的阵列，其中该多边形合成金刚石板由光学级合成金刚石材料形成并且该阵列使用每个多边形合成金刚石板形成光学窗口从而限定清晰孔隙用于光传输。
9.根据权利要求7所述的阵列，其中该多边形合成金刚石板由热学级合成金刚石材料形成并且该阵列形成安装在散热器上的热扩散基材用于多个半导体部件的热管理。
10.根据权利要求7所述的阵列，其中该多边形合成金刚石板由导电的硼掺杂的金刚石材料形成并且该阵列形成用于电化学应用的电极阵列。
11.安装的合成金刚石板，包含：
根据权利要求1至6中任一项所述的多边形合成金刚石板；和
该多边形合成金刚石板所连接的基体，
其中该基体包含冷却通道。
12.根据权利要求11所述的安装的合成金刚石板，
其中该冷却通道沿着该多边形合成金刚石板的多边形轮廓。
13.根据权利要求12所述的安装的合成金刚石板，
其中该基体包含支架和背板，在该支架中形成该冷却通道并且该背板密封该冷却通道。
14.根据权利要求11至13中任一项所述的安装的合成金刚石板，
其中该基体由钼、钼合金或碳化硅形成。
15.根据权利要求11至14中任一项所述的安装的合成金刚石板，
其中通过连接将该多边形合成金刚石板连接至该基体，该连接具有小于800℃、700℃、600℃、500℃或400℃的连接温度。
16.根据权利要求11至15中任一项所述的安装的合成金刚石板，
其中通过钎焊连接或扩散连接将该多边形合成金刚石板连接至该基体。
17.根据权利要求11至16中任一项所述的安装的合成金刚石板，
其中该基体限定孔隙，跨过该孔隙连接该多边形合成金刚石板以形成光学窗口。
18.安装的合成金刚石板阵列，包含：
多个根据权利要求11至17中任一项所述的安装的合成金刚石板，
其中接合该安装的合成金刚石板的冷却通道以形成跨过该安装的合成金刚石板阵列的共同冷却通道。
19.根据权利要求18所述的安装的合成金刚石板阵列，
其中将该多个安装的合成金刚石板进一步安装在支撑板上，该支撑板包括接合该安装的合成金刚石板的冷却通道的一个或多个通道。
20.根据权利要求18所述的安装的合成金刚石板阵列，
其中通过冷却块接合相邻的安装的合成金刚石板的冷却通道，在该冷却块中设置接合通道。
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