CN111647873B - 一种三维连续网络亲水硼掺杂金刚石散热体及其制备方法和应用 - Google Patents

一种三维连续网络亲水硼掺杂金刚石散热体及其制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种三维连续网络亲水硼掺杂金刚石散热体及其制备方法和应用，所述亲水硼掺杂金刚石散热体包括三维连续网络金属骨架、金刚石层、硼掺杂金刚石层，所述三维连续网络金属骨架表面设置金刚石层，金刚石层表面设置硼掺杂金刚石层；所述硼掺杂金刚石层中硼含量从下至上逐步增加；所述硼掺杂金刚石层表面分布有微孔和/或尖锥；本发明先于三维连续网络金属骨架表面制备具有优异导热性能的金刚石膜层，然后再于金刚石膜层表面设置功能改性能硼掺杂金刚石层，且硼掺杂时进行梯度设置，与金刚石层接触的底层，采用微量硼掺杂，保持纯度，保证导热性，再逐步提高硼掺杂浓度，使顶层采用较高的硼含量，结合高温热处理，获得优异的亲水性。

Description

一种三维连续网络亲水硼掺杂金刚石散热体及其制备方法和 应用
技术领域
本发明公开了一种三维连续网络亲水硼掺杂金刚石散热体及其制备方法和应用，属于热管理设备技术领域。
背景技术
随着5G时代的到来，电子设备的小型化、智能化、轻量化导致电子及半导体器件的集成度不断增加，电子器件的热量密度迅猛增长。如果电子器件产生的热量得不到及时而有效的散发，将导致整个电子器件温度升高，甚至烧毁。因此，狭小空间内高热密度的热管理已成为当前高性能电子设备亟需解决的问题；VC散热器，它比金属或热管均温效果更好。可以使表面温度更均匀(热点减少)。其次，使用VC散热器可以让热源和设备之间直接接触，从而降低热阻，随着芯片功率密度的不断提升，VC散热器已经广泛应用在CPU、NP、ASIC等大功耗器件的散热上。
VC散热器中的核心即为其中的散热体材料，金刚石是自然界中导热性能最好的材料(室温可达2200W/mK)，同时其热膨胀系数和密度仅为0.86ppm/K和3.52g/cm3，与高导热金属复合后，可同时满足热管理材料所需的高导热、低膨胀、轻量化等要求。然而由于VC散热器中的散热体材料需要直接与冷却液相接触，而由于金刚石亲水性不足，导致无法充分发挥出其优异的导热性能，从而影响散热效率。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种孔隙结构合理、导热性能优异、散热面积广、亲水性好的三维网络亲水硼掺杂金刚石散热体及其制备方法和应用，将所述三维网络亲水硼掺杂金刚石散热体应用于VC散热器件，可极大限度地提升散热器的散热效率，有效提升电子产品的使用寿命及用户舒适度。
本发明一种三维连续网络亲水硼掺杂金刚石散热体，所述三维网络亲水硼掺杂金刚石散热体包括三维连续网络金属骨架、金刚石层、硼掺杂金刚石层，所述三维连续网络金属骨架表面设置金刚石层，金刚石层表面设置硼掺杂金刚石层。
本发明一种三维连续网络亲水硼掺杂金刚石散热体，所述泡沫金属金属骨架在硼掺杂金刚石散热体中的体积分数为20-60vol％。
本发明一种三维连续网络亲水硼掺杂金刚石散热体，所述金刚石层的厚度为10-100μm；所述硼掺杂金刚石层的厚度为0.01-2μm。
为了改善金刚石的亲水性，本发明在金刚石层的表面设置一层硼掺杂金刚石层，其中硼掺杂金刚石层作为改性层，厚度远小于金刚石层，因此几乎不会影响到金刚石本身的导热性能。
本发明一种三维连续网络亲水硼掺杂金刚石散热体，所述硼掺杂金刚石层中硼含量从下至上逐步增加。
本发明一种三维连续网络亲水硼掺杂金刚石散热体，所述硼掺杂金刚层，由下至上，依次包括硼含量梯度增加的硼掺杂金刚石底层、硼掺杂金刚石中层、硼掺杂金刚石顶层；所述硼掺杂金刚石底层中，按原子比计，B/C为2000-15000ppm；优选为3333-10000ppm，所述硼掺杂金刚石中层中，按原子比计，B/C为12000-30000ppm；优选为13333-20000ppm，所述硼掺杂金刚石顶层中，按原子比计，B/C为23333-50000ppm，优选为25000-33333ppm。
本发明中在金刚石表面进行原位掺硼，逐步递增掺硼浓度，改善金刚石润湿性的同时，保持金刚石的髙热导率，极大的提高VC散热器的散热效率。
本发明一种三维连续网络亲水硼掺杂金刚石散热体，所述三维连续网络金属骨架中的金属选自镍、铜、钛、铬、铁、硅、铝、铌、钽、钨、钼、锆中的一种或多种
选自泡沫镍、泡沫铜、泡沫钛、泡沫铬、泡沫铁中的一种。
本发明一种三维连续网络亲水硼掺杂金刚石散热体，所述三维连续网络金属骨架中，泡沫孔径为0.01～10mm，开孔率40％～99％，泡沫孔洞均匀分布或随机分布；泡沫骨架为平面结构或三维立体结构。
本发明一种三维连续网络亲水硼掺杂金刚石散热体，所述泡沫金刚石增强体还包含过渡层，所述过渡层位于三维连续网络金属骨架与金刚石层中间。
发明人发现，在以下两种情况下，引入过渡层，可以进一步提高泡沫金刚石增强相的性能，一是泡沫骨架中的金属相与金刚石的差异过大时，通过引入热膨胀系数适当的过渡层，可有效降低硼掺杂金刚石层/泡沫骨架界面热应力。加强材料服役性能与寿命。二是泡沫骨架中的金属相不适宜金刚石形核时，通入引入过渡层，可有效提升化学气相沉积效率，薄膜层连续性及薄膜层与泡沫骨架结合性。
本发明一种三维连续网络亲水硼掺杂金刚石散热体，所述过渡层材料选自镍、铌、钽、钛、钴、钨、钼、铬中的一种或多种的复合，所述过渡层的厚度为10-30μm。
在本发明中，只要能满足过渡层的厚度，结合性好的要求，对过渡层的制备方法不受限制，如可以采用现有技术中的电镀、化学镀、蒸镀、磁控溅射、化学气相沉积、物理气相沉积中的一种。
本发明一种三维连续网络亲水硼掺杂金刚石散热体，所述硼掺杂金刚石层表面分布有微孔和/或尖锥。通过对三维网络亲水硼掺杂金刚石散热体进行热处理，硼掺杂金刚石层表面分布形成大量的微孔和尖锥，提高比表面积，使得亲水硼掺杂金刚石散热体的润湿性大幅提升，
本发明一种三维连续网络亲水硼掺杂金刚石散热体的制备方法，包括如下步骤：
步骤一、三维连续网络金属骨架种植籽晶
将三维连续网络金属骨架或设置有过渡层的三维连续网络金属骨架置于含纳米晶金刚石颗粒的悬浊液中，加热至沸腾，超声处理，烘干；获得表面吸附有纳米晶金刚石颗粒的三维连续网络金属骨架；
步骤二、沉积金刚石层
将步骤一中所得表面吸附有纳米晶金刚石颗粒的三维连续网络金属骨架置于化学气相沉积炉中，所述沉积参数为：含碳气体占炉内全部气体质量流量百分比为0.5-10.0％；沉积温度为600-1000℃，沉积气压103-104Pa；沉积的时间为12-120h；
步骤三、沉积硼掺杂金刚石层
在步骤二所得金刚石层的表面继续沉积硼掺杂金刚石层，采用三段沉积，所述沉积工艺为：控制第一段沉积过程中，通入气体流速比为氢气：含硼气体：含碳气体＝98:0.1-0.3:2；沉积时间为10min-30min，控制第二段沉积过程中，通入气体流速比为氢气：含硼气体：含碳气体＝98:0.4-0.6:2；沉积时间为10min-30min，控制第三段沉积过程中，通入气体流速比为氢气：含硼气体：含碳气体＝98:0.7-1.0:2；沉积时间为30min-60min。
步骤四热处理
将步骤三所得产物于空气气氛下进行热处理，热处理温度为500-900℃，热处理时间为10min-60min。
步骤四中利用高温氧化技术，通过在三维连续网络硼掺杂金刚石进行表面改性，可金刚石的疏水性为亲水性，提高VC散器的液-气转换效率，保持VC散热器的高效散热。
在实际操作过程中，三维连续网络金属骨架先需置于丙酮中超声处理5-20min，去除衬底材料表面油污，然后再使用去离子水和/或无水乙醇冲洗，烘干备用。
本发明一种三维连续网络亲水硼掺杂金刚石散热体的制备方法，所述步骤一中，所述含纳米晶金刚石颗粒的悬浊液中，金刚石混合颗粒质量分数为0.01％-0.05％，所述含纳米晶金刚石颗粒的粒径为5-30nm，纯度≥97％。
本发明一种三维连续网络亲水硼掺杂金刚石散热体的制备方法，步骤一中，所述超声处理时间为5-30min。超声完成后，将三维连续网络金属骨架取出，使用去离子水和/或无水乙醇冲洗干净后，再烘干。
本发明一种三维连续网络亲水硼掺杂金刚石散热体的制备方法，步骤二中,所述含碳气体为CH4。
本发明一种三维连续网络亲水硼掺杂金刚石散热体的制备方法，步骤三中,所述含硼气体为B2H6，所述含碳气体为CH4。
在本发明中，氢气即可作为化学沉积过程中的稀释气体，又作为刻蚀气体，在实际操作过程中，待三段沉积完成后，先关闭含硼气体和含碳气体，继续通入一段时间氢气，用来刻蚀梯度硼掺杂金刚石表面的石墨相。
在实际操作过程中，需要在平面型的衬底双侧进行沉积或在三维结构的衬底的多面进行沉积时，先完成某一面中的硼掺杂金刚石层沉积后，取出冷却、洗涤、烘干后再进行其他层的沉积。
在本发明中，对于硼源可选用固体、气体、液体硼源中的一种，当选用固体、液体硼源时先进行气化处理。
本发明一种三维连续网络亲水硼掺杂金刚石散热体的制备方法，步骤三中,三段沉积过程中，温度均为温度为600～1000℃，气压均为103～104Pa。
本发明一种三维连续网络亲水硼掺杂金刚石散热体的应用，将所述三维网络亲水硼掺杂金刚石散热体应用于VC散热器。
所述VC散热器包括三维网络亲水硼掺杂金刚石散热体、吸液芯、VC散热器壳体、冷却液，所述三维网络亲水硼掺杂金刚石散热体设置于吸液芯中，将高导热毛细材料作为VC散热器壳体，VC散热器直接与芯片接触，冷却液吸收热量自发蒸发，蒸汽沿内腔流至冷凝段再次液化，经毛细作用，冷却液在外壳内腔流回蒸发段，与芯片实现热交换，将VC散热器外壳与芯片材料连接，作为具备高导热快散热功能的电子封装材料。
原理与优势
本发明选用易于制备且无缝连接的泡沫金属作为衬底，利用化学气相沉积技术在其表面制备高质量具有优异导热性能的金刚石膜层，然后再于金刚石膜层表面设置功能改性能硼掺杂金刚石层，通过硼掺杂时的梯度设置，在与金刚石层接触的底层，采用微量硼掺杂，保持纯度，保证导热性，再通过逐步提高硼掺杂浓度，使外层采用较高的硼含量，结合高温热处理，获得优异的亲水性。
通过该方法制得的三维连续网络多孔散热体可以完整地复制泡沫金属的结构，散热体上沉积的高导热材料以无缝连接的方式构成一个全连通的整体，具有优异的连续导热能力，经过改性处理，金刚石亲水性改善，配合毛细作用，使得VC散热器的热导率和散热率相比较传统VC散热器有极大提高，将会是一种很有潜力的VC散热器件。
具体实施方式
实施例1
将泡沫Cu衬底(30PPI)，分别进行丙酮(CH3COCH3)超声清洗、无水乙醇(C2H5OH)超声清洗、去离子水超声清洗各10min。然后在其表面采用真空蒸镀方法溅射W过渡层，其中W过渡层厚度为100nm；再将铜衬底置于纳米金刚石悬浊液中通过超声种植籽晶30min以增强成核作用。最后用去离子水超声冲洗10min,烘干待用。
(2)然后采用化学气相沉积于在吸附有纳米金刚石颗粒的泡沫Cu衬底进行金刚石膜的沉积，金刚石沉积工艺：在泡沫基体表面采用热丝CVD沉积三维连续网络金刚石，所用的热丝为
Figure GDA0003128632850000062
的直钨丝，将直丝完全覆盖在衬底正上方，然后将预处理好的衬底放入HFCVD设备腔体内部，调整热丝-基底间距(8mm)。安装完毕后，关闭舱门抽真空，然后按实验设定的气源浓度比通入氢气、甲烷，当反应气源混合均匀后，关闭抽气阀，调节微调阀将腔体内的气压调整为设定压强。然后打开电源调节电流，把热丝加热到设定温度，同时需要观察沉积室内气压，沉积完毕后，通过调节电流大小来调控沉积室温度进行降温，此时需要关闭CH4，仅使用H2来蚀刻金刚石表面的石墨相。本实例所用的沉积参数：气体比H2:CH4＝98sccm:2.0sccm，沉积时间为14h。沉积压强为3kPa，沉积温度为850℃；金刚石层厚度为10-30μm。
(3)在金刚石表面采有热丝气相沉积硼掺杂金刚石层，所用的热丝为
Figure GDA0003128632850000061
的直钨丝，将直丝完全覆盖在衬底正上方，然后将预处理好的衬底放入HFCVD设备腔体内部，调整热丝-基底间距(8mm)。安装完毕后，关闭舱门抽真空，然后按实验设定的气源浓度比通入氢气、甲烷和硼烷(实验所用的乙硼烷为B2H6:H2＝5:95的混合气体)，当反应气源混合均匀后，关闭抽气阀，调节微调阀将腔体内的气压调整为设定压强。然后打开电源调节电流，把热丝加热到设定温度，同时需要观察沉积室内气压，如有变动需用微调阀继续调整，最后开始沉积掺硼金刚石薄膜。沉积完毕后，通过调节电流大小来调控沉积室温度进行降温，此时需要关闭CH4和B2H6，仅使用H2来蚀刻金刚石表面的石墨相。本实例所用的沉积参数：气体比H2:B2H6:CH4＝98sccm:0.4sccm:2.0sccm，沉积时间为1.5h。沉积压强为3kPa，沉积温度为850℃；掺硼金刚石膜层厚度为1-2μm。
(3)将三维网络亲水硼掺杂金刚石散热体置入吸液芯中，并装入与其体积相当，内壁与其紧密接触的VC散热壳体，将VC散热器直接与芯片相连接，作为具备高散热效率的电子封装材料。经测试，散热体与水的接触角为60.182°，低于纯金刚石的89.121°。说明引入掺硼金刚石层作为改性层后，所得三维网络亲水硼掺杂金刚石散热体的润湿性变佳。
实施例2
(1)将泡沫Cu衬底(50PPI)分别进行丙酮(CH3COCH3)超声清洗、无水乙醇(C2H5OH)超声清洗、去离子水超声清洗各10min。然后在其表面采用磁控溅射方法溅射Cr膜层，其中Cr膜层厚度为100nm；再将铜衬底置于纳米金刚石悬浊液中通过超声种植籽晶30min以增强成核作用。最后用去离子水超声冲洗10min,烘干待用。
(2)然后采用化学气相沉积于在吸附有纳米金刚石颗粒的泡沫Cu衬底进行金刚石膜的沉积，金刚石沉积的工艺：在泡沫基体表面采用热丝CVD沉积三维连续网络金刚石，所用的热丝为
Figure GDA0003128632850000072
的直钨丝，将直丝完全覆盖在衬底正上方，然后将预处理好的衬底放入HFCVD设备腔体内部，调整热丝-基底间距(8mm)。安装完毕后，关闭舱门抽真空，然后按实验设定的气源浓度比通入氢气、甲烷，当反应气源混合均匀后，关闭抽气阀，调节微调阀将腔体内的气压调整为设定压强。然后打开电源调节电流，把热丝加热到设定温度，同时需要观察沉积室内气压，沉积完毕后，通过调节电流大小来调控沉积室温度进行降温，此时需要关闭CH4，仅使用H2来蚀刻金刚石表面的石墨相。本实例所用的沉积参数：气体比H2:CH4＝98sccm:2.0sccm，沉积时间为12h。沉积压强为3kPa，沉积温度为850℃；金刚石层厚度为10-30μm。
(3)在金刚石表面采有热丝气相沉积硼掺杂金刚石层，所用的热丝为
Figure GDA0003128632850000071
的直钨丝，将直丝完全覆盖在衬底正上方，然后将预处理好的衬底放入HFCVD设备腔体内部，调整热丝-基底间距(8mm)。安装完毕后，关闭舱门抽真空，然后按实验设定的气源浓度比通入氢气、甲烷和硼烷(实验所用的乙硼烷为B2H6:H2＝5:95的混合气体)，当反应气源混合均匀后，关闭抽气阀，调节微调阀将腔体内的气压调整为设定压强。然后打开电源调节电流，把热丝加热到设定温度，同时需要观察沉积室内气压，如有变动需用微调阀继续调整，最后开始沉积掺硼金刚石薄膜。沉积完毕后，通过调节电流大小来调控沉积室温度进行降温，此时需要关闭CH4和B2H6，仅使用H2来蚀刻金刚石表面的石墨相。本实例所用的掺硼金刚石材料沉积参数为三段沉积过程：第一阶段气体流速比为H2:B2H6:CH4＝98sccm:0.1sccm:2.0sccm，沉积时间为0.5h。第二阶段气体流速比HH2:B2H6:CH4＝98sccm:0.4sccm:2.0sccm，沉积时间为0.5h。第三阶段气体流速比H2:B2H6:CH4＝98sccm:0.6sccm:2.0sccm，沉积时间为1h。整个沉积过程中沉积压强为3kPa，沉积温度为850℃；掺硼金刚石厚度为1-2μm，得三维网络亲水梯度硼掺杂金刚石散热体。
(3)将三维网络亲水梯度硼掺杂金刚石散热体置入吸液芯中，并装入与其体积相当，内壁与其紧密接触的VC散热壳体，将VC散热器直接与芯片相连接，作为具备高散热效率的电子封装材料。经测试，散热体与水的接触角为52.451°，低于纯金刚石的89.121°。说明引入梯度掺硼金刚石层作为改性层后，所得三维网络亲水硼掺杂金刚石散热体的润湿性进一步变优。
实施例3
(1)将泡沫Cu衬底(70PPI)分别进行丙酮(CH3COCH3)超声清洗、无水乙醇(C2H5OH)超声清洗、去离子水超声清洗各10min。然后在其表面采用磁控溅射方法溅射Cr膜层，其中Cr膜层厚度为100nm；再将铜衬底置于纳米金刚石悬浊液中通过超声种植籽晶30min以增强成核作用。最后用去离子水超声冲洗10min,烘干待用。
(2)本文所用的热丝为
Figure GDA0003128632850000081
的直钨丝，将直丝完全覆盖在衬底正上方，然后将预处理好的衬底放入HFCVD设备腔体内部，调整热丝-基底间距(8mm)。安装完毕后，关闭舱门抽真空，然后按实验设定的气源浓度比通入氢气、甲烷，当反应气源混合均匀后，关闭抽气阀，调节微调阀将腔体内的气压调整为设定压强。然后打开电源调节电流，把热丝加热到设定温度，同时需要观察沉积室内气压，如有变动需用微调阀继续调整，最后开始沉积掺硼金刚石薄膜。沉积完毕后，通过调节电流大小来调控沉积室温度进行降温，此时需要关闭CH4和B2H6，仅使用H2来蚀刻金刚石表面的石墨相。本实例所用的掺硼金刚石材料沉积参数为三段沉积过程：第一阶段气体流速比为H2:B2H6:CH4＝98sccm:0.2sccm:2.0sccm，沉积时间为0.5h。第二阶段气体流速比H2:B2H6:CH4＝98sccm:0.6sccm:2.0sccm，沉积时间为0.5h。第三阶段气体流速比H2:B2H6:CH4＝98sccm:0.8sccm:2.0sccm，沉积时间为1h。整个沉积过程中沉积压强为3kPa，沉积温度为800℃。所得金刚石层厚度为10-30μm，掺硼金刚石层厚度为1-2μm。
将三维连续网络金刚石骨架取出，放置在管式电阻炉中，设置每分钟8℃的升温速率，加热至指定温度800℃，在空气中进行氧化处理30min；得三维连续网络亲水金刚石散热体。
(3)将三维连续网络亲水金刚石散热体置入吸液芯中，并装入与其体积相当，内壁与其紧密接触的VC散热壳体，将VC散热器直接与芯片相连接，作为具备高散热效率的电子封装材料。经测试，散热体与水的接触角为23.372°，低于纯金刚石的89.121°。说明引入梯度掺硼金刚石层作为改性层再进行亲水性的热处理后，所得三维网络亲水硼掺杂金刚石散热体的润湿性大幅改善，己经成为了亲水材料。
实施例4
(1)将泡沫Cu衬底(110PPI)分别进行丙酮(CH3COCH3)超声清洗、无水乙醇(C2H5OH)超声清洗、去离子水超声清洗各10min。然后在其表面采用磁控溅射方法溅射Cr膜层，其中Cr膜层厚度为100nm；再将铜衬底置于纳米金刚石悬浊液中通过超声种植籽晶30min以增强成核作用。最后用去离子水超声冲洗10min,烘干待用。
(2)本文所用的热丝为
Figure GDA0003128632850000091
的直钨丝，将直丝完全覆盖在衬底正上方，然后将预处理好的衬底放入HFCVD设备腔体内部，调整热丝-基底间距(8mm)。安装完毕后，关闭舱门抽真空，然后按实验设定的气源浓度比通入氢气、甲烷和硼烷(实验所用的乙硼烷为B2H6:H2＝5:95的混合气体)，当反应气源混合均匀后，关闭抽气阀，调节微调阀将腔体内的气压调整为设定压强。然后打开电源调节电流，把热丝加热到设定温度，同时需要观察沉积室内气压，如有变动需用微调阀继续调整，最后开始沉积掺硼金刚石薄膜。沉积完毕后，通过调节电流大小来调控沉积室温度进行降温，此时需要关闭CH4和B2H6，仅使用H2来蚀刻金刚石表面的石墨相。本实例所用的掺硼金刚石材料沉积参数为三段沉积过程：第一阶段气体流速比为H2:B2H6:CH4＝98sccm:0.1sccm:2.0sccm，沉积时间为0.5h。第二阶段气体流速比HH2:B2H6:CH4＝98sccm:0.4sccm:2.0sccm，沉积时间为0.5h。第三阶段气体流速比H2:B2H6:CH4＝98sccm:1.0sccm:2.0sccm，沉积时间为1h。整个沉积过程中沉积压强为3kPa，沉积温度为850℃；所得金刚石层厚度为10-30μm，掺硼金刚石层厚度为1-2μm，将三维连续网络金刚石骨架取出，放置在管式电阻炉中，设置每分钟8℃的升温速率，加热至指定温度700℃，在空气中进行氧化处理30min；得三维网络亲水梯度硼掺杂金刚石散热体。
(3)将三维网络亲水梯度硼掺杂金刚石散热体置入吸液芯中，并装入与其体积相当，内壁与其紧密接触的VC散热壳体，将VC散热器直接与芯片相连接，作为具备高散热效率的电子封装材料。经测试，散热体与水的接触角为15.319°，低于纯金刚石的89.121°。说明引入梯度掺硼金刚石层作为改性层再进行亲水性的热处理后，所得三维网络亲水硼掺杂金刚石散热体的润湿性大幅改善，己经成为了亲水材料。
对比例1
(1)将泡沫Cu衬底分别进行丙酮(CH3COCH3)超声清洗、无水乙醇(C2H5OH)超声清洗、去离子水超声清洗各10min。然后在其表面采用磁控溅射方法溅射Cr膜层，其中Cr膜层厚度为100nm；再将铜衬底置于纳米金刚石悬浊液中通过超声种植籽晶30min以增强成核作用。最后用去离子水超声冲洗10min,烘干待用。
(2)本文所用的热丝为
Figure GDA0003128632850000102
的直钨丝，将直丝完全覆盖在衬底正上方，然后将预处理好的衬底放入HFCVD设备腔体内部。安装完毕后，关闭舱门抽真空，然后按实验设定的气源浓度比通入氢气、甲烷，当反应气源混合均匀后，关闭抽气阀，调节微调阀将腔体内的气压调整为设定压强。然后打开电源调节电流，把热丝加热到设定温度，开始沉积金刚石薄膜。沉积完毕后，所得金刚石层厚度为10-30μm，得三维网络亲水梯度硼掺杂金刚石散热体。
(3)将三维网络金刚石散热体置入吸液芯中，并装入与其体积相当，内壁与其紧密接触的VC散热壳体，经测试，散热体与水的接触角为89.121°，难以形成有效散热，VC器件性能远不如热管性能。
对比例2
(1)将泡沫Cu衬底分别进行丙酮(CH3COCH3)超声清洗、无水乙醇(C2H5OH)超声清洗、去离子水超声清洗各10min。然后在其表面采用磁控溅射方法溅射Cr膜层，其中Cr膜层厚度为100nm；再将铜衬底置于纳米金刚石悬浊液中通过超声种植籽晶30min以增强成核作用。最后用去离子水超声冲洗10min,烘干待用。
(2)本文所用的热丝为
Figure GDA0003128632850000101
的直钨丝，将直丝完全覆盖在衬底正上方，然后将预处理好的衬底放入HFCVD设备腔体内部。安装完毕后，关闭舱门抽真空，然后按实验设定的气源浓度比通入氢气、甲烷和硼烷，当反应气源混合均匀后，关闭抽气阀，调节微调阀将腔体内的气压调整为设定压强。然后打开电源调节电流，把热丝加热到设定温度，沉积完成金刚石层，最后打开硼烷进气，气体比H2:B2H6:CH4＝98sccm:1.0sccm:2.0sccm开始沉积掺硼金刚石薄膜。沉积完毕后，所得金刚石层厚度为10μm，掺硼金刚石厚度为5μm，得三维网络亲水梯度硼掺杂金刚石散热体。
(3)将三维网络金刚石散热体置入吸液芯中，并装入与其体积相当，内壁与其紧密接触的VC散热壳体，经测试，散热体与水的接触角为59.121°，热导率降低至900W/mK，远低于纯金刚石1800W/mK，难以形成有效散热，VC器件性能远不如热管性能。

Claims (7)

1.一种三维连续网络亲水硼掺杂金刚石散热体，其特征在于：所述三维连续网络亲水硼掺杂金刚石散热体包括三维连续网络金属骨架、金刚石层、硼掺杂金刚石层，所述三维连续金属骨架表面设置金刚石层，金刚石层表面设置硼掺杂金刚石层；
所述三维连续网络金属骨架在硼掺杂金刚石散热体中的体积分数为20-60vol %；所述金刚石层的厚度为10-100μm；所述硼掺杂金刚石层的厚度为0.01-2μm；
所述硼掺杂金刚层，由下至上，依次包括硼含量梯度增加的硼掺杂金刚石底层、硼掺杂金刚石中层、硼掺杂金刚石顶层；所述硼掺杂金刚石底层中，按原子比计，B/C为2000-15000ppm；所述硼掺杂金刚石中层中，按原子比计，B/C为12000-30000ppm；所述硼掺杂金刚石顶层中，按原子比计，B/C为23333-50000ppm，
所述硼掺杂金刚石层表面分布有微孔和/或尖锥。
2.根据权利要求1所述的一种三维连续网络亲水硼掺杂金刚石散热体，其特征在于：所述三维连续网络金属骨架中的金属选自镍、铜、钛、铬、铁、硅、铝、铌、钽、钨、钼、锆中的一种或多种；所述三维连续网络金属骨架孔径为0.01~10mm，开孔率为40%~99%，孔洞均匀分布或随机分布；所述三维连续网络金属骨架结构为平面结构或三维立体结构。
3.根据权利要求1所述的一种三维连续网络亲水硼掺杂金刚石散热体，其特征在于：所述三维连续网络金刚石增强体还包含过渡层，所述过渡层位于三维连续网络金属骨架与金刚石层中间；所述过渡层材料选自镍、铌、钽、钛、钴、钨、钼、铬中的一种或多种的复合，所述过渡层的厚度为0.5-30µm。
4.制备如权利要求1-3任意一项所述的三维连续网络亲水硼掺杂金刚石散热体的方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤一、三维连续网络金属骨架种植籽晶
将三维连续网络金属骨架或设置有过渡层的三维连续网络金属骨架置于含纳米晶金刚石颗粒的悬浊液中，加热至沸腾，超声处理，烘干；获得表面吸附有纳米晶金刚石颗粒的三维连续网络金属骨架；
步骤二、沉积金刚石层
将步骤一中所得表面吸附有纳米晶金刚石颗粒的三维连续网络金属骨架置于化学气相沉积炉中，所述沉积参数为：含碳气体占炉内全部气体质量流量百分比为0.5-10.0%；沉积温度为600-1000℃，沉积气压103-104Pa；沉积的时间为12-120h；
步骤三、沉积硼掺杂金刚石层
在步骤二所得金刚石层的表面继续沉积硼掺杂金刚石层，采用三段沉积，所述沉积工艺为：控制第一段沉积过程中，通入气体流速比为氢气：含硼气体：含碳气体=98:0.1-0.3:2；沉积时间为10min-30min，控制第二段沉积过程中，通入气体流速比为氢气：含硼气体：含碳气体=98: 0.4-0.6:2；沉积时间为10min-30min，控制第三段沉积过程中，通入气体流速比为氢气：含硼气体：含碳气体=98:0.7-1.0:2；沉积时间为30min-60min，
步骤四、 热处理
将步骤三所得产物于空气气氛下进行热处理，热处理温度为500-900℃，热处理时间为10min-60min。
5.根据权利要求4所述的一种三维连续网络亲水硼掺杂金刚石散热体的制备方法，其特征在于：步骤一中，所述含纳米晶金刚石颗粒的悬浊液中，金刚石混合颗粒质量分数为0.01%-0.05%，所述含纳米晶金刚石颗粒的粒径为5-30nm，纯度≥97%；步骤一中，所述超声处理时间为5-30min。
6.根据权利要求4所述一种三维连续网络亲水硼掺杂金刚石散热体的制备方法，其特征在于：步骤三中，三段沉积过程中，温度均为600~1000℃，气压均为103~104Pa。
7.根据权利要求1-3任意一项所述的一种三维连续网络亲水硼掺杂金刚石散热体的应用，其特征在于：将所述三维网络亲水硼掺杂金刚石散热体应用于VC散热器。
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