CN110358508A - 含金刚石的复合散热材料及其制备方法 - Google Patents

含金刚石的复合散热材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明为一种含金刚石的复合散热材料及其制备方法，属于散热技术领域。本发明复合散热材料包括均布有孔柱阵列的金属块体，孔柱内均穿插有长条型金刚石，金属块体的上表面上依次设置有金属层和金刚石膜层，并且长条型金刚石的顶部与金刚石膜层的上表面平齐。本发明复合散热材料首先在热源接触面全是金刚石，能够快速传导热量，防止散热材料表面温度较高，影响电子器件的性能；其次，长条型金刚石与金属的接触表面积大幅减少，有效降低了界面热阻对散热性能的破坏；再次，金刚石膜层与长条型金刚石阵列相连接，形成连续的高效散热通道，使热量以更快的速度传递出去，能有效降低散热材料的膨胀变形及使用寿命降低。

Description

含金刚石的复合散热材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及复合散热技术领域，具体是一种含金刚石的复合散热材料及其制备方法。
背景技术
随着科技的发展，现代电子和光电器件日趋小型化、高度集成化和高功率化。由于在使用过程中会产生大量的热量，造成器件温度大幅升高，严重时会影响器件的可靠性和使用寿命。如何在狭小的空间内把热量传递给冷却系统成为热管理材料行业关注的重点和热点。
金刚石靠声子传热，是室温下热导率最高的材料，最高可达20W/（cm·K），为铜的5倍，氮化铝的6倍，氧化铍热导率的7倍多。同时，金刚石的热膨胀系数极低，室温下为1.0×10-6K-1，可以在快速传导热量的同时不产生大的变形量。此外，金刚石的电阻率为1016 Ω·cm，是优良的绝缘材料。因此，金刚石是非常理想的散热材料。
由于尺寸较小且价格高，天然金刚石与高温高压法生产的金刚石，一般很少作为热管理材料使用。将高温高压法或爆炸法生产的金刚石粉/颗粒与铜、铝制备成的金刚石/Cu或金刚石/Al复合材料，具有较高的强度和韧性，能够通过改变金刚石粉的含量调整热导率。但是，为方便成型，金刚石粉的所占的体积百分比需要控制在一定的范围，同时由于界面热阻的存在，制备的金刚石/Cu或金刚石/Al复合材料的热导率一般只能达到400-600W/（m·K），目前这种材料已经无法满足许多高功率器件的使用要求。化学气相沉积（CVD）法制备的多晶金刚石膜具有较高的热导率，但是断裂强度较低，为避免受热应力影响而断裂，作为散热材料时一般需要有较高的厚度，同时由于金刚石硬度高，加工研磨抛光难度大，使得散热材料的成本进一步增高。因此，为了解决现代高功率小型电子和光电器件的散热问题急需设计研发低成本的且具有良好散热性能的散热材料。
发明内容
本发明的目的是为了解决上述现有技术中存在的问题，而提供一种新型的含金刚石的复合散热材料及其制备方法。
本发明是通过如下技术方案实现的：
一种含金刚石的复合散热材料，包括具有良好散热性能的金属块体，金属块体上均布有呈竖直方向设置且贯穿金属块体上下的孔柱阵列；孔柱阵列的每个孔柱内均穿插有长条型金刚石，长条型金刚石的顶部超出金属块体的上表面、底部与金属块体的下表面平齐；金属块体的上表面上错开长条型金刚石的部分设置有金属层，金属层的上表面上错开长条型金刚石的部分设置有金刚石膜层，并且长条型金刚石的顶部与金刚石膜层的上表面平齐。
作为优选的技术方案，具有良好散热性能的金属块体的材质为Cu、W中的一种或任意比例混合的两种。
作为优选的技术方案，长条型金刚石采用多晶金刚石膜或单晶金刚石作为原材料。。
作为优选的技术方案，长条型金刚石经过金属化处理或未经过金属化处理。
作为优选的技术方案，孔柱阵列的每个孔柱的截面形状为圆形、矩形、菱形或其它规则或不规则形状。
作为优选的技术方案，金属块体上的每个孔柱内穿插的长条型金刚石的个数为一根或几根。
作为优选的技术方案，金属层的材质为与金属块体及金刚石具有较好相容性的材料。
作为优选的技术方案，当金属块体的材质为Cu时，金属层的材质为Ta、Nb或W；当金属块体的材质为W时，金属层的材质为Ta、Nb或Ti；当金属块体的材质为任意比例混合的Cu和W时，金属层的材质为Ta、Nb、W。
本发明还提供了上述含金刚石的复合散热材料的制备方法，其包括如下几个步骤：
1）取具有良好散热性能的金属块体，在其上均布呈竖直方向设置且贯穿金属块体上下的孔柱阵列；
2）在金属块体上的每个孔柱内穿插长条型金刚石，长条型金刚石的顶部超出金属块体的上表面、底部与金属块体的下表面平齐；
3）在孔柱内注入金属液，使得金属液充满孔柱与长条型金刚石之间的间隙，在孔柱上方施加外部压力，使金属液在外部压力下冷却凝固；
4）在金属块体的上表面上错开长条型金刚石的部分制备用于金刚石形核的金属层，金属层的厚度小于长条型金刚石露出金属块体外的长度；再采用CVD法在金属层上表面沉积金刚石膜层，使得金刚石膜层的上表面与长条型金刚石的顶部平齐即可，最终制备得到含金刚石的复合散热材料。
作为优选的技术方案，金属液由具有低熔点和高热导率的Ag、Cu或Al熔化形成。
本发明复合散热材料可以说是由底层和表层构成的，底层由金属块体及穿插在其上的长条型金刚石阵列构成，表层是由金属层和金刚石膜层构成，其中，底层的长条型金刚石与表层的金刚石膜层相连接。由此可知，本发明复合散热材料在热源接触面为散热性能优良的金刚石膜层，同时与金刚石膜层相连的是底层的长条型金刚石阵列，这使得在热源接触面的下方形成了由金刚石膜层和长条型金刚石阵列组合成的高效散热通道，能够将热量快速传导出去。而与长条型金刚石相接的金属块体的散热性能也较好，最终使得本发明复合散热材料整体具有较高的散热性能，热导率可达到800W/（m·K），同时可通过调节长条型金刚石的宽度和数量调节材料的热导率，以实现性能和价格的最佳优化。
本发明复合散热材料与目前的采用烧结高温高压法或爆炸法生产的金刚石粉/颗粒获得的金刚石/Cu或金刚石/Al复合材料相比，首先在热源接触面全是金刚石，能够快速传导热量，防止散热材料表面温度较高，影响电子器件的性能；其次，长条型金刚石以长条状存在，比以粉状/颗粒狀存在时，与金属的接触表面积大幅减少，有效降低了界面热阻对散热性能的破坏；再次，表层的金刚石膜层与底层的长条型金刚石阵列相连接，形成连续的高效散热通道，使热量以更快的速度传递出去，能有效降低散热材料的膨胀变形及使用寿命降低。
本发明复合散热材料在制备时，选择具有低熔点和高热导率的Ag、Cu、Al作为金属液来连接金刚石长条和金属块体，有利于增加复合材料整体的导热率，同时降低制备难度。
本发明复合散热材料在制备时，是先制备形核的金属层再制备金刚石膜层，这样即可有效改善金刚石无法以膜层沉积到Cu、Al等材料表面的问题，同时还使金刚石膜层与底层的长条型金刚石阵列相连来形成高效散热通道，避免了底层和金刚石膜层中间金属层形成新的热阻层。
本发明中，采用CVD法制备热导率较好的金刚石膜即可，不需要完整的膜，采用整体膜材料切割产生的边角废材也可以，只需满足能将金刚石切割成长条状即可，然后根据使用要求和长条型金刚石的长度进行本发明散热材料的制备。此外，无需对金刚石进行研磨抛光处理，成本比直接采用CVD金刚石膜作为散热材料大幅降低。
附图说明
此处的附图用来提供对本发明的进一步说明，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用来解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为含孔柱阵列的金属块体的截面示意图。
图2为穿插了长条型金刚石的金属块体的截面示意图。
图3为穿插了长条型金刚石且制备了金属层的金属块体的截面示意图。
图4为本发明复合散热材料的成品结构示意图。
图中：1-金属块体、2-孔柱阵列、3-1-长条型金刚石、3-2-金刚石膜层、4-金属液、5-金属层。
具体实施方式
为了使本领域技术人员更好的理解本发明，以下结合参考附图并结合实施例对本发明作进一步清楚、完整的说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
如图4所示，一种含金刚石的复合散热材料，包括具有良好散热性能的金属块体1，金属块体1的材质为Cu、W中的一种或任意比例混合的两种；金属块体1上均布有呈竖直方向设置且贯穿金属块体1上下的孔柱阵列2，孔柱阵列2的每个孔柱的截面形状为圆形、方形、矩形、菱形或其它规则或不规则形状；孔柱阵列2的每个孔柱内均穿插有长条型金刚石3-1，长条型金刚石3-1采用多晶金刚石膜或单晶金刚石，长条型金刚石3-1采经过金属化处理或未经过金属化处理，长条型金刚石3-1的个数为一根或几根；长条型金刚石3-1的顶部超出金属块体1的上表面、底部与金属块体1的下表面平齐；金属块体1的上表面上错开长条型金刚石3-1的部分设置有金属层5，金属层5的材质为与金属块体1及金刚石具有较好相容性的材料，具体为：当金属块体1的材质为Cu时，金属层5的材质为Ta、Nb或W；当金属块体1的材质为W时，金属层5的材质为Ta、Nb或Ti；当金属块体1的材质为任意比例混合的Cu和W时，金属层5的材质为Ta、Nb、W；金属层5的上表面上错开长条型金刚石3-1的部分设置有金刚石膜层3-2，并且长条型金刚石3-1的顶部与金刚石膜层3-2的上表面平齐。
上述含金刚石的复合散热材料的制备方法，包括如下几个步骤：
1）取具有良好散热性能的金属块体1，在其上均布呈竖直方向设置且贯穿金属块体1上下的孔柱阵列2，如图1所示；
2）在金属块体1上的每个孔柱内穿插长条型金刚石3-1，长条型金刚石3-1的顶部超出金属块体1的上表面、底部与金属块体1的下表面平齐，如图2所示；
3）在孔柱内注入金属液4，使得金属液4充满孔柱与长条型金刚石3-1之间的间隙，在孔柱上方施加外部压力，使金属液4在外部压力下冷却凝固，金属液4为具有低熔点和高热导率的Ag、Cu或Al金属熔化形成，如图2所示；
4）在金属块体1的上表面上错开长条型金刚石3-1的部分制备用于金刚石形核的金属层5，金属层5的厚度小于长条型金刚石3-1露出金属块体1外的长度，如图3所示；再采用CVD法在金属层5上表面沉积金刚石膜层3-2，使得金刚石膜层3-2的上表面与长条型金刚石3-1的顶部平齐即可，最终制备得到含金刚石的复合散热材料，如图4所示。
上面是对本发明实施例中的技术方案进行了清楚、完整地描述，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

Claims (10)

1.一种含金刚石的复合散热材料，其特征在于：包括具有良好散热性能的金属块体，金属块体上均布有呈竖直方向设置且贯穿金属块体上下的孔柱阵列；孔柱阵列的每个孔柱内均穿插有长条型金刚石，长条型金刚石的顶部超出金属块体的上表面、底部与金属块体的下表面平齐；金属块体的上表面上错开长条型金刚石的部分设置有金属层，金属层的上表面上错开长条型金刚石的部分设置有金刚石膜层，并且长条型金刚石的顶部与金刚石膜层的上表面平齐。
2.根据权利要求1所述的含金刚石的复合散热材料，其特征在于：具有良好散热性能的金属块体的材质为Cu、W中的一种或任意比例混合的两种。
3.根据权利要求1所述的含金刚石的复合散热材料，其特征在于：长条型金刚石采用多晶金刚石膜或单晶金刚石作为原材料。
4.根据权利要求1所述的含金刚石的复合散热材料，其特征在于：长条型金刚石经过金属化处理或未经过金属化处理。
5.根据权利要求1所述的含金刚石的复合散热材料，其特征在于：孔柱阵列的每个孔柱的截面形状为圆形、矩形、菱形或其它规则或不规则形状。
6.根据权利要求1所述的含金刚石的复合散热材料，其特征在于：金属块体上的每个孔柱内穿插的长条型金刚石的个数为一根或几根。
7.根据权利要求2所述的含金刚石的复合散热材料，其特征在于：金属层的材质为与金属块体及金刚石具有较好相容性的材料。
8.根据权利要求7所述的含金刚石的复合散热材料，其特征在于：当金属块体的材质为Cu时，金属层的材质为Ta、Nb或W；当金属块体的材质为W时，金属层的材质为Ta、Nb或Ti；当金属块体的材质为任意比例混合的Cu和W时，金属层的材质为Ta、Nb、W。
9.如权利要求1-8中任一所述的含金刚石的复合散热材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
1）取具有良好散热性能的金属块体，在其上均布呈竖直方向设置且贯穿金属块体上下的孔柱阵列；
2）在金属块体上的每个孔柱内穿插长条型金刚石，长条型金刚石的顶部超出金属块体的上表面、底部与金属块体的下表面平齐；
3）在孔柱内注入金属液，使得金属液充满孔柱与长条型金刚石之间的间隙，在孔柱上方施加外部压力，使金属液在外部压力下冷却凝固；
4）在金属块体的上表面上错开长条型金刚石的部分制备用于金刚石形核的金属层，金属层的厚度小于长条型金刚石露出金属块体外的长度；再采用CVD法在金属层上表面沉积金刚石膜层，使得金刚石膜层的上表面与长条型金刚石的顶部平齐即可，最终制备得到含金刚石的复合散热材料。
10.根据权利要求9所述的含金刚石的复合散热材料的制备方法，其特征在于：金属液由具有低熔点和高热导率的Ag、Cu或Al熔化形成。
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