CN112469239A - 一种大尺寸金刚石散热片及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种大尺寸金刚石散热片的制备方法，其包括以下步骤：取CVD金刚石片进行磨削抛光；采用飞秒激光对磨削抛光后的CVD金刚石片进行切割，切割后的CVD金刚石片的边缘直线度为0.1um、精度为0.5um以下，切割后的CVD金刚石片形状能够彼此配合连接成片；将切割后的CVD金刚石片拼接成片。本发明为了克服现有技术中缺乏低成本的大型金刚石散热片的缺陷，提供了一种大尺寸金刚石散热片的制备方法，本发明的制备方法成本低但能够获得大型的金刚石散热片，满足性能日益提升的电子元件的热管理需求。
Description
技术领域
本发明涉及散热材料制备技术领域，具体涉及一种大尺寸金刚石散热片及其制备方法。
背景技术
在如今科学技术的高速发展下，各种大功率的电子产品出现在人们的日常生活之中。电子产品的性能越高，热管理就越困难。因为，随着半导体元器件功率密度不断提高，热通量会越来越大，有些甚至高达数十千瓦每平方厘米，是太阳表面热通量的5倍。随着终端产品对轻薄化和高效化的要求提升，半导体的发展方向已不仅仅是提升性能而已，发热量和散热量表现也成半导体设计中相当重要的因素。
散热片是用于电器中的为发热电子元件散热的部件。传统散热片多由铝合金、黄铜或青铜做成板状、片状、多片状等。金刚石材料具有已知最高的热导率(1300-2400W/(m·K))、刚度和硬度，同时在较大波长范围内具有高光学传输特性、低膨胀系数和低密度属性。这些特性使得金刚石成为能够显著降低热阻的热管理应用材料。目前，化学气相沉积(CVD)法金刚石已经实现商业化，并有不同等级热导率可供选择。CVD金刚石还具有完全各向同性特征，强化各方向上的热量扩散，散热性能远优于传统材料。目前，用于大功率晶体管、大功率分立二极管等用的散热元件是用CVD金刚石膜经激光切割成所需尺寸，并磨光后厚度为0.2～1.0mm的薄片制成，具有很好的热扩散和热传导性，是一个市场潜力非常大的应用领域。
但受限于传统CVD技术，现有CVD金刚石尺寸多在100mm2以下，且生成尺寸越大生长难度越大，成本越高，所需要的时间也越长，生长出的金刚石表面质量越差。另一方面，金刚石硬度高强度大，对后续研磨抛光带来困难。因此，现有散热片通常是将CVD金刚石片作为小型散热片用。针对大型金刚石散热片的低成本制备研究不足。
发明内容
本发明为了克服现有技术中缺乏低成本的大型金刚石散热片的缺陷，提供了一种大尺寸金刚石散热片的制备方法，本发明的制备方法成本低但能够获得大型的金刚石散热片，满足性能日益提升的电子元件的热管理需求，有巨大的经济价值及前景。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种大尺寸金刚石散热片，其采用以下制备方法制成，所述制备方法包括以下步骤：
磨削抛光步骤：取CVD金刚石片进行磨削抛光；
飞秒激光切割步骤：采用飞秒激光对磨削抛光后的CVD金刚石片进行切割，切割后的CVD金刚石片的边缘直线度为0.1um、精度为0.5um以下，切割后的CVD金刚石片形状能够彼此配合连接成片；
拼接步骤：将切割后的CVD金刚石片拼接成片。
现有的CVD金刚石散热片，在生长模具上生长成型后便直接使用，但由于每次生长能够成型的尺寸有限，直接生长成型的CVD金刚石散热片的尺寸较小，难以满足大尺寸的使用需求；另一方面，直接生长成型的CVD金刚石散热片形状已经固定，对于需要不同形状的散热片，只能选用不同的生长模具生长。而本申请提供了将小尺寸的CVD金刚石散热片变为大尺寸的制备方法，而且可以根据使用需要的形状切割成型后拼接成所需的大尺寸金刚石散热片。发明人经研究发现，将小尺寸的CVD金刚石散热片飞秒激光切割成边缘的直线度为0.1um、精度达到0.5um时，便能够保障拼接后的大片金刚石散热片散热效果优异，真正发挥大片散热的作用。
进一步的，磨削抛光后的CVD金刚石片的厚度为0.1～2.0mm。
进一步的，所述飞秒激光的加工参数为：激光功率1-20w、重复频率100-1000khz，光斑直径0.03-0.2mm、扫描速度400-2000mm/s、扫描次数5-100次，激光锥度0°-10°。
进一步的，切割后的CVD金刚石片呈多边形。
进一步的，所述拼接步骤采用烧结、钎焊、电镀的方式将CVD金刚石片以紧密接触的形式固定于基体上。
进一步的，所述基体包括但不限于铝合金基体或者铜基体。
进一步的，所述拼接步骤为将每片切割后的CVD金刚石片边缘涂覆粘合剂使彼此粘合连接成片。
进一步的，所述粘合剂为环氧树脂粘合剂、酚醛树脂粘合剂。
进一步的，还包括后处理步骤，所述后处理步骤包括将拼接后的大片CVD金刚石片抛光，然后金属化处理。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明先用飞秒激光技术将小片的CVD金刚石片切割成边缘直线度和精度都比较高的形状，不仅有利于各个小片CVD金刚石片彼此之间能够紧密连接，而且使得粘连后的依然具有优异的散热性能，克服了现有CVD金刚石片生长后形状固定，大部分均为圆形，而无法紧密连接成大片的缺陷，提供了大尺寸的金刚石散热片，具有很好的热扩散和热传导性能，满足性能日益提高的电子产品的应用需求。
附图说明
图1为本发明一种实施方式的制备方法示意图；
图2为本发明实施例1飞秒激光切割后的CVD金刚石散热片的超景深显微镜拍摄的切割面图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，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。本领域普通人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，均属于本发明的保护范围。
一种大尺寸金刚石散热片，其采用以下制备方法制成，所述制备方法包括以下步骤：
磨削抛光步骤：取CVD金刚石片进行磨削抛光；磨削抛光后的CVD金刚石片的厚度为0.1～2.0mm。
飞秒激光切割步骤：采用飞秒激光对磨削抛光后的CVD金刚石片进行切割，所述飞秒激光的加工参数为：激光功率1-20w、重复频率100-1000khz，光斑直径0.03-0.2mm、扫描速度400-2000mm/s、扫描次数5-100次，激光锥度0°-10°。切割后的CVD金刚石片的边缘直线度为0.1um、精度为0.5um以下，切割后的CVD金刚石片形状能够彼此配合连接成片；优选方案中，切割后的CVD金刚石片呈多边形。
拼接步骤：将切割后的CVD金刚石片拼接成片。具体地，所述拼接方式为：采用涂覆粘合剂或者钎焊的方式将CVD金刚石片以紧密接触的形式固定于基体上。所述基体为铝合金基体或者铜基体，当然，所述基体还可以是其它需要散热的电子元器件的表面。所述拼接方式还可以是：将每片CVD金刚石片边缘涂覆粘合剂然后彼此粘合连接成片。所述粘合剂为环氧树脂粘合剂、酚醛树脂粘合剂。
后抛光步骤：对拼接后的大尺寸CVD金刚石片再次进行抛光处理。再次抛光处理可以去除拼接后的CVD金刚石散热片接缝处残渣，使得拼接后的大尺寸金刚石散热片的散热效果好。
为了使得拼接后的大尺寸CVD金刚石片在应用时能够满足某些产品中的导电需求，还对后抛光后的大尺寸CVD金刚石片进行金属化处理。
实施例1
本实施例是将现有的小型CVD金刚石片磨削抛光后，飞秒切割成四边形，可以是正方形，也可以是长方形，然后采用粘合剂粘合成大尺寸金刚石散热片。该大尺寸金刚石散热片可以直接贴装在电子产品的需要散热的零件中。具体的制备方法如下：
一种大尺寸金刚石散热片，其采用以下制备方法制成，所述制备方法包括以下步骤：
磨削抛光步骤：取φ50mmCVD金刚石片进行磨削抛光；磨削抛光后的CVD金刚石片的厚度为1.5mm。
飞秒激光切割步骤：采用飞秒激光对磨削抛光后的CVD金刚石片进行切割，所述飞秒激光的加工参数为：激光功率16w、重复频率800khz，光斑直径0.05mm、扫描速度800mm/s、扫描次数800次，激光锥度0°。请参照图2，图2显示了切害后的CVD金刚石片的超景深显微镜拍摄的切割面图像。切割后的CVD金刚石片的边缘直线度为0.1um、切口精度为0.4um，切割后的CVD金刚石片为30*30mm四边形，各片CVD金刚石片能够彼此配合连接成片。
拼接步骤：将切割后的多片小型的CVD金刚石片拼接成片。具体地，取切割后的金刚石片25片，按照5*5形式排列，所述拼接方式为：将每片CVD金刚石片边缘涂覆粘合剂然后彼此粘合连接成片。所述粘合剂为环氧树脂粘合剂、酚醛树脂粘合剂；拼接后形成150*150mm正方形大片金刚石片。
后抛光步骤：对拼接后的大尺寸CVD金刚石片再次进行抛光处理。
为了使得拼接后的大尺寸CVD金刚石片在应用时能够满足某些产品中的导电需求，还对后抛光后的大尺寸CVD金刚石片进行金属化处理。
实施例2
本实施例是将现有的小型CVD金刚石片磨削抛光后，飞秒切割成三角形，然后采用粘合剂粘合成大尺寸金刚石散热片。该大尺寸金刚石散热片可以直接贴装在电子产品的需要散热的零件中。具体的制备方法如下：
一种大尺寸金刚石散热片，其采用以下制备方法制成，所述制备方法包括以下步骤：
磨削抛光步骤：取φ40mmCVD金刚石片进行磨削抛光；磨削抛光后的CVD金刚石片的厚度为2mm。
飞秒激光切割步骤：采用飞秒激光对磨削抛光后的CVD金刚石片进行切割，所述飞秒激光的加工参数为：激光功率12w、重复频率800khz，光斑直径0.05mm、扫描速度500mm/s、扫描次数150次，激光锥度0°。切割后的CVD金刚石片的边缘直线度为0.08um、切口精度为0.3um，切割后的CVD金刚石片呈边长为30mm等边三角形，各片CVD金刚石片能够彼此配合连接成片。
拼接步骤：将切割后的多片小型的CVD金刚石片拼接成片。具体地，取切割后的金刚石片18片，按照6*3形式排列为边长90*90mm的等边菱形，所述拼接方式为：将每片CVD金刚石片边缘涂覆粘合剂然后彼此粘合连接成片。所述粘合剂为环氧树脂粘合剂、酚醛树脂粘合剂。
后抛光步骤：对拼接后的大尺寸CVD金刚石片再次进行抛光处理。
为了使得拼接后的大尺寸CVD金刚石片在应用时能够满足某些产品中的导电需求，还对后抛光后的大尺寸CVD金刚石片进行金属化处理。
实施例3
本实施例是将现有的小型CVD金刚石片磨削抛光后，飞秒切割成三角形，然后将各片小型的CVD金刚石片固定在基体上形成大尺寸金刚石散热片。该大尺寸金刚石散热片可以直接贴装在电子产品的需要散热的零件中。具体的制备方法如下：
一种大尺寸金刚石散热片，其采用以下制备方法制成，所述制备方法包括以下步骤：
磨削抛光步骤：取φ50mmCVD金刚石片进行磨削抛光；磨削抛光后的CVD金刚石片的厚度为0.5mm。
飞秒激光切割步骤：采用飞秒激光对磨削抛光后的CVD金刚石片进行切割，所述飞秒激光的加工参数为：激光功率10w、重复频率800khz，光斑直径0.05mm、扫描速度500mm/s、扫描次数100次，激光锥度0°。切割后的CVD金刚石片的边缘直线度为0.1、切口精度为0.5um，切割后的CVD金刚石片形状呈30*30mm正方形，各片CVD金刚石片彼此能够配合连接成片。
拼接步骤：将切割后的多片小型的CVD金刚石片拼接成片。具体地，所述拼接方式为：取150*150mm铜片作为基体，厚度为2mm；采用真空钎焊的方式将CVD金刚石片以紧密接触的形式固定于所述基体上。具体地，真空钎焊方式的具体步骤为：先将钎焊膏涂抹在焊缝处，将金刚石片放置于合适的地方，将铜片与金刚石片一起放入真空炉中，焊接全程保持抽气状态；当真空度达到10-2Pa时，开始升温，在300℃和500℃各保温3分钟，升到低于固相点20℃时再保温5分钟，再升到焊接温度再保温5分钟。随炉冷却，继续保持抽气状态，到炉内温度低于200℃时，开炉取出焊接好的铜-金刚石复合散热片。
后抛光步骤：对拼接后的大尺寸CVD金刚石片再次进行抛光处理。
实施例4
本实施例是将现有的小型CVD金刚石片磨削抛光后，飞秒切割成三角形，然后将各片小型的CVD金刚石片固定在基体上形成大尺寸金刚石散热片。该大尺寸金刚石散热片可以直接贴装在电子产品的需要散热的零件中。具体的制备方法如下：
一种大尺寸金刚石散热片，其采用以下制备方法制成，所述制备方法包括以下步骤：
磨削抛光步骤：取φ30mmCVD金刚石片进行磨削抛光；磨削抛光后的CVD金刚石片的厚度为0.1mm。
飞秒激光切割步骤：采用飞秒激光对磨削抛光后的CVD金刚石片进行切割，所述飞秒激光的加工参数为：激光功率6w、重复频率500khz，光斑直径0.03mm、扫描速度500mm/s、扫描次数10次，激光锥度0°。切割后的CVD金刚石片的边缘直线度为0.1um、切口精度为0.2um，切割后的CVD金刚石片形状呈边长为25mm等边三角形，各片CVD金刚石片彼此能够配合连接成片。
拼接步骤：将切割后的多片小型的CVD金刚石片拼接成片。具体地，所述拼接方式为：取一基体，所述基体为铝合金片材，尺寸为100*100mm等边菱形，所述基体为片状，厚度为2mm；
取50片切割后CVD金刚石片，按10*5排列方式进行排列，采用粘合剂粘结的方式将CVD金刚石片以紧密接触的形式固定于所述基体上。具体地，在铝合金片材上涂覆粘合剂然后将金刚石片按照所需排列形式放置于铝合金表面进行粘合。所述粘合剂为环氧树脂粘合剂、酚醛树脂粘合剂。
后抛光步骤：对拼接后的大尺寸CVD金刚石片再次进行抛光处理。
性能测试
对实施例1至4制得的大尺寸金刚石散热片的散热性能进行检测。同时，设置现有技术的纳秒激光切割加工的金刚石散热片为对照组，进行散热性能检测并比较。
对照组的制备方法如下：采用小型CVD金刚石普通激光切割，CVD金刚石厚度为2mm；采用纳秒激光进行切割，激光功率50w，光斑尺寸0.5mm,扫描次数1次，扫描速度500mm/s,切割后CVD金刚石切口直线度为0.5um，精度6um，切割面有明显石墨化及重铸层现象。
实施例1至4切割后CVD金刚石片切口直线度为0.1um，精度0.2um，切割面无明显石墨化及重铸层现象。
散热性：
测量导热率，实施例1至4切割后未拼接的CVD金刚石片导热率为1800-2000W/m.K。
对照组普通激光切割后拼接的大片金刚石，在拼接处由于直线度和精度要求不够，拼接处存在缝隙及过叠，导热率只有530W/m.K。
本申请实施例制备的金刚石散热片，采用真空钎焊方式非拼接处导热率为1830W/m.K，拼接处导热率为1560W/m.K；采用粘合剂粘合方式非拼接处导热率为1740W/m.K，拼接处导热率为1380W/m.K。
以上所述为本发明的较佳实施例而已，但本发明不应局限于该实施例和附图所公开的内容，所以凡是不脱离本发明所公开的精神下完成的等效或修改，都落入本发明保护的范围。
Claims (10)
1.一种大尺寸金刚石散热片的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
磨削抛光步骤：取CVD金刚石片进行磨削抛光；
飞秒激光切割步骤：采用飞秒激光对磨削抛光后的CVD金刚石片进行切割，切割后的CVD金刚石片的边缘直线度为0.1um、精度为0.5um以下，切割后的CVD金刚石片形状能够彼此配合连接成片；
拼接步骤：将切割后的CVD金刚石片拼接成片。
2.如权利要求1所述的大尺寸金刚石散热片的制备方法，其特征在于：磨削抛光后的CVD金刚石片的厚度为0.1～2.0mm。
3.如权利要求1所述的大尺寸金刚石散热片的制备方法，其特征在于：所述飞秒激光的加工参数为：激光功率1-20w、重复频率100-1000khz，光斑直径0.03-0.2mm、扫描速度400-2000mm/s、扫描次数5-100次，激光锥度0°-10°。
4.如权利要求1所述的大尺寸金刚石散热片的制备方法，其特征在于：切割后的CVD金刚石片呈多边形。
5.如权利要求1所述的大尺寸金刚石散热片的制备方法，其特征在于：所述拼接步骤采用烧结、钎焊、电镀的方式将CVD金刚石片以紧密接触的形式固定于基体上。
6.如权利要求5所述的大尺寸金刚石散热片的制备方法，其特征在于：所述基体为铝合金基体或者铜基体。
7.如权利要求1所述的大尺寸金刚石散热片的制备方法，其特征在于：所述拼接步骤为将每片切割后的CVD金刚石片边缘涂覆粘合剂使彼此粘合连接成片。
8.如权利要求1所述的大尺寸金刚石散热片的制备方法，其特征在于：所述粘合剂为环氧树脂粘合剂、酚醛树脂粘合剂。
9.如权利要求1所述的大尺寸金刚石散热片的制备方法，其特征在于：还包括后处理步骤，所述后处理步骤包括将拼接后的大片CVD金刚石片抛光，然后金属化处理。
10.一种大尺寸金刚石散热片，其特征在于：采用权利要求1至9任意一项所述的制备方法制成。
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