CN113488442A - 超薄散热片及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供超薄散热片及其制备方法，包括：采用纳米压印模板在金属箔表面制备具有阵列图案的金属散热片；在所述金属散热片表面沉积垂直石墨烯膜片阵列，形成复合超薄散热片。本发明放大散热片的有效散热面积，提升散热片的散热效率。
Description
技术领域
本发明属于散热片制备技术领域，具体涉及一种超薄散热片及其制备方法。
背景技术
近年来，随着半导体芯片的集成度越来越高，发热功率也越来越大，对相应散热器的散热特性有着较高要求。然而，随着电子设备的集成度提升，对于散热系统的尺寸设计要求也越来越高，传统大尺寸散热片往往无法满足设备设计需求，超薄平板散热片成为行业发展的重要方向。
组成传统散热片的材料中，铝、铜是主要原材料，获得与加工都非常方便。当前，平面型超薄散热片，加工及构造都比较简单，其散热性能较差。究其原因，往往是有效散热面积不够大导致。要提升超薄材料的散热性能，需要从提升散热片有效散热面积的结构设计出发，再结合高效散热材料的有效利用。此外，石墨烯是一种具备应用潜力的导热、散热材料，然而石墨烯导热材料制备普遍需要极高的温度，因此难以与铝、铜等传统导热材料进行复合，形成高效散热器。
发明内容
针对现有技术存在问题中的一个或多个，本发明提供一种超薄散热片的制备方法，包括：
采用纳米压印模板在金属箔表面制备具有阵列图案的金属散热片；
在所述金属散热片表面沉积垂直石墨烯膜片阵列，形成复合超薄散热片。
可选地，所述采用纳米压印模板在金属表面制备具有阵列图案的金属散热片的步骤包括：
选取1-3mm厚金属箔，材料为纯铝或纯铜；
利用纳米压印模板上的图案化阵列对金属箔进行压印，获得金属散热片。
可选地，所述图案化阵列中，相邻阵列间距为20-5000微米，优选为500-2000微米；阵列深度为100-800微米，优选为200-500微米；阵列图案尺度为500-2000微米，优选为1000微米。
可选地，所述图案化阵列的图案为圆形、正方形、长方形、梯形和椭圆形中的一种或多种。
可选地，所述在所述金属散热片表面沉积垂直石墨烯膜片阵列的步骤包括：
采用PECVD沉积方法在所述金属散热片表面沉积垂直石墨烯膜片阵列。
可选地，所述采用PECVD沉积方法在所述金属散热片表面沉积垂直石墨烯膜片阵列的步骤包括：
将金属散热片放入电场诱导PECVD沉积系统中，采用周期性氧气刻蚀与电场诱导双重作用垂直生长石墨烯。
可选地，所述采用PECVD沉积方法在所述金属散热片表面沉积垂直石墨烯膜片阵列的步骤包括：
将金属散热片放入电场诱导PECVD沉积系统中，抽真空至1×10-4Pa；
将金属散热片加热至500-700℃，优选600℃，升温速度为1-10℃/min，优选4-5℃/min；
通入氧含量为5％的氩气-氧气混合气体，气体流量为30-100sccm；
设置电源工作频率为10-30MHz，功率为100-1000W，电场强度为1000-10000V/m；
氩气-氧气处理5-10分钟，关闭氩气-氧气混合气，继续抽真空至1×10-2Pa；
分别通入氩气和甲烷，氩气气体流量为30-70sccm，甲烷气体流量为60-150sccm，生长1-2h；
重复以上步骤，直至总生长时间达到5-20h，获得高度为30-150微米的垂直石墨烯阵列。
可选地，所述纳米压印模板为镍纳米压印模板。
可选地，还包括制备纳米压印模板的步骤。
可选地，所述制备纳米压印模板的步骤包括：
采用光刻技术制备硅阵列模板；
对硅阵列模板表面进行氟素离型剂处理，获得防粘涂层；
在硅阵列模板表面滴加并旋涂硅胶溶液，经固化后获得PDMS模板层；
分离PDMS模板层与硅阵列模板；
在PDMS模板层表面，采用磁控溅射法沉积金属钛膜；
将沉积了金属钛膜的PDMS模板层放入镍电镀液中进行电镀，在金属钛膜表面形成镍镀层；
分离PDMS模板层，获得表面镀钛的镍压印模板。
可选地，所述制备纳米压印模板的步骤包括：
采用光刻技术制备硅阵列模板，并对模板表面进行氟素离型剂处理，获得防粘涂层；
在硅阵列模板表面滴加并旋涂道康宁184双组分硅胶溶液，经固化后获得PDMS模板层，分离PDMS模板层与硅阵列模板；
在PDMS模板层表面，采用磁控溅射法沉积一层金属钛膜，膜厚为50-100nm；
将沉积了金属钛膜的PDMS模板放入镍电镀液中进行电镀，在钛薄膜表面形成厚为200-3000微米厚镍镀层；
分离PDMS，获得表面镀钛的镍压印模板。
根据本发明的另一方面，提供上述方法制备得到的超薄散热片。
本发明所述超薄散热片的制备方法采用微纳米加工工艺，获得金属基阵列，在散热片表面及微纳米结构中原位生长获得高比表面积的石墨烯阵列，从而极大地放大散热片的有效散热面积，提升散热片的散热效率。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1是本发明所述超薄散热片的制备方法的流程图的示意图；
图2是本发明所述超薄散热片的示意图。
具体实施方式
在下文中，仅简单地描述了某些示例性实施例。正如本领域技术人员可认识到的那样，在不脱离本发明的精神或范围的情况下，可通过各种不同方式修改所描述的实施例。因此，附图和描述被认为本质上是示例性的而非限制性的。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语"中心"、"纵向"、"横向"、"长度"、"宽度"、"厚度"、"上"、"下"、"前"、"后"、"左"、"右"、"坚直"、"水平"、"顶"、"底"、"内"、"外"、"顺时针"、"逆时针"等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语"第一"、"第二"仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有"第一"、"第二"的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本发明的描述中，"多个"的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
下文的公开提供了许多不同的实施方式或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本发明。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或参考字母，这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施方式和/或设置之间的关系。此外，本发明提供了的各种特定的工艺和材料的例子，但是本领域普通技术人员可以意识到其他工艺的应用和/或其他材料的使用。
以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
图1是本发明所述超薄散热片的制备方法的流程图的示意图，如图1所示所述制备方法包括：
步骤S1，制备镍纳米压印模板；
步骤S2，采用镍纳米压印模板，在金属箔表面制备具有阵列图案的金属散热片；
步骤S3，采用PECVD技术，在制备的阵列图案的金属散热片衬底表面，沉积垂直石墨烯膜片阵列，形成完备的复合超薄散热片。
本发明所述超薄散热片的制备方法采用微纳米加工工艺，获得金属基阵列，随后再利用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)技术，在散热片表面及微纳米结构中原位生长获得高比表面积的石墨烯阵列，从而极大地放大散热片的有效散热面积，提升散热片的散热效率。
在一个实施例中，镍纳米压印模板制备方法包括：
步骤S11，采用光刻技术制备硅阵列模板，并对模板表面进行氟素离型剂处理，获得防粘涂层；
步骤S12，在硅阵列模板表面滴加并旋涂道康宁184双组分硅胶溶液，经固化后获得PDMS模板层，分离PDMS模板层与硅阵列模板；
步骤S13，在PDMS模板层表面，采用磁控溅射法沉积一层金属钛膜，膜厚为50-100nm；
步骤S14，将沉积了金属钛膜的PDMS模板放入镍电镀液中进行电镀，在钛薄膜表面形成厚为200-3000微米厚镍镀层；
步骤S15，分离PDMS，获得表面镀钛的镍压印模板。
在一个实施例中，金属箔压印方法包括：
步骤S21，选取1-3mm厚金属箔，材料为纯铝或纯铜；
步骤S22，利用镍压印模板对金属箔进行压印，获得金属箔图案化阵列散热片；
其中，图案化阵列中，相邻阵列间距定义为20-5000微米，优选500-2000微米；阵列深度为100-800微米，优选200-500微米；阵列图案尺度为500-2000微米，优选1000微米；
其中，压印图案为圆形、正方形、长方形、梯形、椭圆形等形状。
在一个实施例中，PECVD沉积垂直石墨烯方法包括：
步骤S31，将图案化的金属片(基底)放入电场诱导PECVD沉积系统中，抽真空至1×10-4Pa；
步骤S32，将基底加热至500-700℃，优选600℃，升温速度为1-10℃/min，优选4-5℃/min；
步骤S33，通入氧含量为5％的氩气-氧气混合气体，气体流量为30-100sccm；
步骤S34，设置电源工作频率为10-30MHz，功率为100-1000W，电场强度为1000-10000V/m；
步骤S35，氩气-氧气处理5-10分钟，随后关闭氩气-氧气混合气，继续抽真空至1×10-2Pa；
步骤S36，分别通入氩气和甲烷，氩气气体流量为30-70sccm，甲烷气体流量为60-150sccm；
步骤S37，步骤S36的生长时间为1-2h；
步骤S38，重复步骤S33-步骤S37，直至总生长时间达到5-20h，可获得高度为30-150微米的垂直石墨烯阵列。
步骤S39，取出超薄散热片。
本发明超薄散热片的制备方法是采用微纳米加工及石墨烯制备技术来获得一种超薄复合散热片的制备方法，基于半导体芯片散热对超薄型金属散热器的需求，以及对现有超薄金属散热片技术缺陷分析，在超薄金属材料表面，通过微纳加工技术获得金属翅片阵列结构，随后再利用PECVD技术，直接在金属衬底表面沉积获得垂直石墨烯，从而使得金属散热片具备极大的散热面积，有效提升了散热片的散热效果。
本发明在超薄散热器金属箔表面制备微尺度孔，在金属箔表面及孔内沉积垂直石墨烯，用于增强散热面积，提升表面散热效果；在孔内的石墨烯垂直阵列，可以获得孔壁保护，不容易受损。
本发明垂直石墨烯在生长过程中，采用了周期性氧气刻蚀与电场诱导双重作用，其生长高度和一致性获得保证。
图2是本发明所述超薄散热片的示意图，如图2所示，所述超薄散热片包括金属箔1、压印在金属箔上的阵列图案2以及沉积在金属箔1及其阵列图案2(如图中凹槽)上的垂直石墨烯膜片阵列3。
本发明超薄散热片金属箔表面有微尺度孔(阵列图案)，在金属箔表面及孔内沉积垂直石墨烯，用于增强散热面积，提升表面散热效果；在孔内的石墨烯垂直阵列，可以获得孔壁保护，不容易受损；垂直石墨烯的高度可达到50-150微米，一致性好。
为了进一步说明本发明的技术效果，列举了以下两个具体实施例：
实施例1：
超薄散热片的制备方法包括：
1)制备镍压印模板，镍厚度为3mm，模板压印区为尺寸为28mm×28mm；
2)选取尺寸为28mm×28mm×2mm的铜薄板作为散热板基材，并采用镍模板进行压印，获得的压印图形为正方形阵列，相邻阵列间距为3000微米，阵列深度为300微米，阵列图形长宽尺寸为1000微米；
3)将图案化的铜片基底放入电场诱导PECVD沉积系统中，抽真空至1×10-4Pa；
4)将基底加热至700℃，升温速度为4℃/min；
5)通入氧含量为5％的氩气-氧气混合气体，气体流量为50sccm；
6)设置电源工作频率为15MHz，功率为300W，电场强度为4000V/m；
7)氩气-氧气处理10分钟，随后关闭氩气-氧气混合气，继续抽真空至1×10-2Pa；
8)分别通入氩气和甲烷，氩气气体流量为50sccm，甲烷气体流量为100sccm；
9)工艺6)生长时间为1h；
8)重复5)-9)工艺，直至总生长时间达到10h，获得高度为60微米的垂直石墨烯阵列；
10)取出超薄散热片(样品)。
实施例2：
超薄散热片的制备方法包括：
1)制备镍压印模板，镍厚度为3mm，模板压印区为尺寸为28mm×28mm；
2)选取尺寸为28mm×28mm×2mm的铜薄板作为散热板基材，并采用镍模板进行压印，获得的压印图形为正方形阵列，相邻阵列间距为1000微米，阵列深度为300微米，阵列图形长宽尺寸为1000微米。
3)将图案化的铜片基底放入电场诱导PECVD沉积系统中，抽真空至1×10-4Pa；
4)将基底加热至600℃，升温速度为4℃/min；
5)通入氧含量为5％的氩气-氧气混合气体，气体流量为70sccm；
6)设置电源工作频率为20MHz，功率为500W，电场强度为3000V/m；
7)氩气-氧气处理10分钟，随后关闭氩气-氧气混合气，继续抽真空至1×10-2Pa；
8)分别通入氩气和甲烷，氩气气体流量为50sccm，甲烷气体流量为100sccm；
9)工艺6)生长时间为1h；
8)重复5)-9)工艺，直至总生长时间达到20h，获得高度为100微米的垂直石墨烯阵列；
9)取出超薄散热片(样品)。
取本发明实施例1和实施例2的样品，以及对比散热片(尺寸为30mm(L)×30mm(W)×0.2mm(H)的铜散热片)，其背面采用导热双面胶与石墨烯PI发热片(发热区面积为20mm(L)×18mm(W)相贴合。将石墨烯发热片设置在同一电功率下(0.29W)，测试石墨烯发热片表面温度情况，下表1为石墨烯发热片表面通过红外热像仪获得的温度数据：
表1
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种超薄散热片的制备方法，其特征在于，包括：
采用纳米压印模板在金属箔表面制备具有阵列图案的金属散热片；
在所述金属散热片表面沉积垂直石墨烯膜片阵列，形成复合超薄散热片。
2.根据权利要求1所述的超薄散热片的制备方法，其特征在于，所述采用纳米压印模板在金属表面制备具有阵列图案的金属散热片的步骤包括：
选取1-3mm厚金属箔，材料为纯铝或纯铜；
利用纳米压印模板上的图案化阵列对金属箔进行压印，获得金属散热片，优选地，所述图案化阵列的图案为圆形、正方形、长方形、梯形和椭圆形中的一种或多种。
3.根据权利要求2所述的超薄散热片的制备方法，其特征在于，所述图案化阵列中，相邻阵列间距为20-5000微米，优选为500-2000微米；阵列深度为100-800微米，优选为200-500微米；阵列图案尺度为500-2000微米，优选为1000微米。
4.根据权利要求1所述的超薄散热片的制备方法，其特征在于，所述在所述金属散热片表面沉积垂直石墨烯膜片阵列的步骤包括：
采用PECVD沉积方法在所述金属散热片表面沉积垂直石墨烯膜片阵列。
5.根据权利要求4所述的超薄散热片的制备方法，其特征在于，所述采用PECVD沉积方法在所述金属散热片表面沉积垂直石墨烯膜片阵列的步骤包括：
将金属散热片放入电场诱导PECVD沉积系统中，采用周期性氧气刻蚀与电场诱导双重作用垂直生长石墨烯。
6.根据权利要求5所述的超薄散热片的制备方法，其特征在于，所述采用PECVD沉积方法在所述金属散热片表面沉积垂直石墨烯膜片阵列的步骤包括：
将金属散热片放入电场诱导PECVD沉积系统中，抽真空至1×10-4Pa；
将金属散热片加热至500-700℃，优选600℃，升温速度为1-10℃/min，优选4-5℃/min；
通入氧含量为5％的氩气-氧气混合气体，气体流量为30-100sccm；
设置电源工作频率为10-30MHz，功率为100-1000W，电场强度为1000-10000V/m；
氩气-氧气处理5-10分钟，关闭氩气-氧气混合气，继续抽真空至1×10-2Pa；
分别通入氩气和甲烷，氩气气体流量为30-70sccm，甲烷气体流量为60-150sccm，生长1-2h；
重复以上步骤，直至总生长时间达到5-20h，获得高度为30-150微米的垂直石墨烯阵列。
7.根据权利要求1所述的超薄散热片的制备方法，其特征在于，所述纳米压印模板为镍纳米压印模板。
8.根据权利要求1所述的超薄散热片的制备方法，其特征在于，还包括制备纳米压印模板的步骤，优选地，所述制备纳米压印模板的步骤包括：
采用光刻技术制备硅阵列模板；
对硅阵列模板表面进行氟素离型剂处理，获得防粘涂层；
在硅阵列模板表面滴加并旋涂硅胶溶液，经固化后获得PDMS模板层；
分离PDMS模板层与硅阵列模板；
在PDMS模板层表面，采用磁控溅射法沉积金属钛膜；
将沉积了金属钛膜的PDMS模板层放入镍电镀液中进行电镀，在金属钛膜表面形成镍镀层；
分离PDMS模板层，获得表面镀钛的镍压印模板。
9.根据权利要求7所述的超薄散热片的制备方法，其特征在于，所述制备纳米压印模板的步骤包括：
采用光刻技术制备硅阵列模板，并对模板表面进行氟素离型剂处理，获得防粘涂层；
在硅阵列模板表面滴加并旋涂道康宁184双组分硅胶溶液，经固化后获得PDMS模板层，分离PDMS模板层与硅阵列模板；
在PDMS模板层表面，采用磁控溅射法沉积一层金属钛膜，膜厚为50-100nm；
将沉积了金属钛膜的PDMS模板放入镍电镀液中进行电镀，在钛薄膜表面形成厚为200-3000微米厚镍镀层；
分离PDMS，获得表面镀钛的镍压印模板。
10.权利要求1-9任一所述方法制备得到的超薄散热片。
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