一种微通孔Cu基CVD金刚石热沉片及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种微通孔Cu基CVD金刚石热沉片及其制备方法，从下至上依次包括Cu基底、金属过渡层和CVD金刚石薄膜，Cu基底上阵列分布有直径0.3～0.5mm，间距2～3mm的微通孔，金属过渡层的表面静电组装金刚石纳米颗粒。本发明专利技术散热效果优于Ag、Cu、Al等传统热沉片，提高了金刚石薄膜和Cu金属基底之间的粘附性，以及金刚石的形核密度；微通道Cu基金刚石热沉片散热性能更优。

A micro through hole Cu based CVD diamond heat sink and its preparation method

【技术实现步骤摘要】
一种微通孔Cu基CVD金刚石热沉片及其制备方法
本专利技术属于金刚石材料应用
，具体涉及一种微通孔Cu基CVD金刚石热沉片及其制备方法。
技术介绍
随着微电子集成技术和空芯印制板高密度组装技术的飞速进展，电子元部件和电子系统的设计和生产不断向小型化、轻量化、紧凑化、高效化的方向发展。电子元部件和电子系统的功率密度越来越高，导致运行过程中产生大量的热量，这些热量若不及时排除，将会严重影响电子元部件和电子系统的工作稳定性和安全可靠性，因此，散热问题成为电子
一个亟待解决的关键性课题。Ag、Cu、Al等传统的电子封装散热材料由于热膨胀系数大，受热后膨胀容易引发循环热应力损坏电子元器件，显然已不能满足目前先进电子技术对封装散热材料的要求。金刚石的热导率最高可达2000W/(m·K)，将金刚石和具有高热导率的金属Cu复合，有望可获得高热导、低膨胀、低密度的理想新型电子封装散热材料，室温下其热导率有望达到450W/(m·K)～1200W/(m·K)，热膨胀系数在4×10-6～6×10-6K-1之间，与Si、GaAs等半导体材料相匹配，Cu基金刚石热沉片可以很好地解决现代大功率、高密度电子元部件和电子系统的散热问题。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种微通孔Cu基CVD金刚石热沉片及其制备方法，形成一种微通孔Cu基CVD金刚石热沉片，利用金刚石的高热导率来现代大功率、高密度电子元部件和电子系统的散热问题。本专利技术采用以下技术方案：>一种微通孔Cu基CVD金刚石热沉片，从下至上依次包括Cu基底、金属过渡层和CVD金刚石薄膜，Cu基底上阵列分布有直径0.3～0.5mm，间距2～3mm的微通孔，金属过渡层的表面静电组装金刚石纳米颗粒。具体的，微通孔的形状包括圆形、正三角形、正方形、正六边形或正八边形。进一步的，Cu基底为纯度99.99％～99.999％的无氧铜，直径为10～20mm，厚度为0.5～1mm。具体的，CVD金刚石薄膜的厚度为0.2～0.3mm。具体的，中间金属过渡层的厚度为50～100nm，金刚石纳米颗粒为球状结构，粒径为2～6nm。本专利技术的另一个技术方案是，一种微通孔Cu基CVD金刚石热沉片的制备方法，包括以下步骤：S1、对Cu基底表面进行清洗；S2、对Cu基底蒸镀形成碳化物金属过渡层；S3、在金属过渡层表面静电组装金刚石纳米颗粒；S4、采用CVD方法在金刚石纳米颗粒上生长金刚石薄膜；S5、采用激光打孔法在Cu基底上制作微通孔阵列。具体的，步骤S1中，依次使用盐酸溶液、丙酮、酒精和去离子水对Cu基底清洗3～5min，然后使用氮气吹干。具体的，步骤S2中，溅射功率为80～100W，气压为1.0～1.5Pa，温度为300～400℃，Ar气流量为20～30sccm，时间10～15min；制备金属过渡层的材料包括钨、钼、钛、铁、铬、镍、钴、铪、锆、钕、钒、钽、钇或铝。具体的，步骤S4中，采用热丝CVD、燃烧火焰法CVD、电子辅助、微波等离子体CVD、射频等离子体CVD、直流等离子体CVD或混合物理化学气相CVD方法，以CH4、H2作为反应气体，CH4气体流量0.5～1.0sccm，H2气体流量500～800sccm，衬底温度850～1000℃，气压80～100Torr，微波功率400～500W，生长时间5～8h。具体的，步骤S5具体为：S501、将Cu基底表面CVD金刚石热沉片倒置在激光打孔载物台上并固定；S502、调整光路及载物台与激光器的距离，使得激光器由输出功率密度为105～109W/cm2；S503、设置激光参数，激光器为YAG固体激光器，YAG固体激光器平均功率为200～300W，单脉冲能量为30～35J，脉冲宽度为0.3～0.6ms，重复频率为10～50Hz；S504、根据微通过阵列图样参数，控制扫描振镜X、Y偏转方向，使其在Cu基底表面自动准确定位打孔位置；S505、运行激光打孔，微通孔的直径为0.3～0.5mm，通孔间距为2～3mm，微通孔形状包括圆形、正三角形、正方形、正六边形或正八边形。与现有技术相比，本专利技术至少具有以下有益效果：本专利技术一种微通孔Cu基CVD金刚石热沉片，采用高热导率的金刚石做热沉，散热效果优于Ag、Cu、Al等传统热沉片；在Cu基底和金刚石薄膜之间引入可形成碳化物金属过渡层，提高了金刚石薄膜和Cu金属基底之间的粘附性；在金属过渡层表面静电组装金刚石纳米颗粒，大大提高了金刚石的形核密度；相比于传统的上下两层的串联结构Cu基金刚石薄膜热沉片，微通孔Cu基金刚石热沉片在Cu基底形成了纵向空气散热通道，金刚石通过通孔直接与底部空气进行热传导，解决了Cu基底大热组对热沉片散热性能的限制，微通道Cu基金刚石热沉片散热性能更优。进一步的，微通孔Cu基金刚石热沉片在Cu基底形成了纵向空气散热通道，金刚石通过通孔直接与底部空气进行热传导，解决了Cu基底大热组对热沉片散热性能的限制，微通道Cu基金刚石热沉片散热性能更优；另外，相比于传统的上下两层的串联结构Cu基金刚石薄膜热沉片，解决了Cu基底大热组对热沉片散热性能的限制；相比于金刚石粉体颗粒/铜复合热沉片，微通道Cu基金刚石热沉片在Cu基底形成了连续金刚石散热通道，解决了金刚石粉体颗粒在Cu中分布连续带来的对热沉片散热性能的限制。进一步的，热沉片的基底为Cu基底，Cu具有良好的导热性能、价格低，金刚石和Cu复合，有望可获得高热导、低膨胀、低密度的理想新型电子封装散热材料，室温下其热导率有望达到450W/(m·K)～1200W/(m·K)，热膨胀系数在4×10-6～6×10-6K-1之间，与Si、GaAs等半导体材料相匹配，特别适合制作高速运算或高功率半导体芯片的衬底及导热材料。进一步的，CVD金刚石薄膜的厚度为0.2～0.3mm，金刚石薄膜厚度过薄，会使得金刚石膜的热阻增加，影响散热性能；由于金刚石本身比较昂贵，金刚石薄膜厚度过厚，会增加热沉片的成本。进一步的，微通孔Cu基CVD金刚石热沉片中间金属过渡层的厚度为50～100nm，金属过渡层厚度过薄，起不到增强Cu基底和金刚石薄膜粘附性的目的；过厚，过渡层金属将会影响到Cu基底的作用。金刚石纳米颗粒为球状结构，粒径为2～6nm，这种结构和尺寸比较有利于CVD金刚石的形核，可以提高金刚石薄膜的生长速率。一种微通孔Cu基CVD金刚石热沉片的制备方法，对Cu基底表面进行清洗，以获得清洁的Cu基底；接着，在Cu基底表面表面蒸镀形成碳化物金属过渡层，来提高Cu基和金刚石的结合力；然后，在金属过渡层表面静电组装金刚石纳米颗粒，以提高金刚石的形核密度和生长速率；再采用CVD方法在金刚石纳米颗粒上生长金刚石薄膜，利用金刚石的高热导率来提高热沉片的散热性能；最后，采用激光打孔法在Cu基底上制作微通孔阵列，微通孔在Cu基底形成了纵向空气散热通道，金刚石通过通孔直接与底部空本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种微通孔Cu基CVD金刚石热沉片，其特征在于，从下至上依次包括Cu基底(1)、金属过渡层(2)和CVD金刚石薄膜(4)，Cu基底(1)上阵列分布有直径0.3～0.5mm，间距2～3mm的微通孔，金属过渡层(2)的表面静电组装金刚石纳米颗粒。/n

【技术特征摘要】
1.一种微通孔Cu基CVD金刚石热沉片，其特征在于，从下至上依次包括Cu基底(1)、金属过渡层(2)和CVD金刚石薄膜(4)，Cu基底(1)上阵列分布有直径0.3～0.5mm，间距2～3mm的微通孔，金属过渡层(2)的表面静电组装金刚石纳米颗粒。


2.根据权利要求1所述的微通孔Cu基CVD金刚石热沉片，其特征在于，微通孔的形状包括圆形、正三角形、正方形、正六边形或正八边形。


3.根据权利要求1或2所述的微通孔Cu基CVD金刚石热沉片，其特征在于，Cu基底(1)为纯度99.99％～99.999％的无氧铜，直径为10～20mm，厚度为0.5～1mm。


4.根据权利要求1所述的微通孔Cu基CVD金刚石热沉片，其特征在于，CVD金刚石薄膜(4)的厚度为0.2～0.3mm。


5.根据权利要求1所述的微通孔Cu基CVD金刚石热沉片，其特征在于，中间金属过渡层(2)的厚度为50～100nm，金刚石纳米颗粒为球状结构，粒径为2～6nm。


6.一种如权利要求1所述微通孔Cu基CVD金刚石热沉片的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、对Cu基底表面进行清洗；
S2、对Cu基底蒸镀形成碳化物金属过渡层；
S3、在金属过渡层表面静电组装金刚石纳米颗粒；
S4、采用CVD方法在金刚石纳米颗粒上生长金刚石薄膜；
S5、采用激光打孔法在Cu基底上制作微通孔阵列。


7.根据权利要求6所述的微通孔Cu基CVD金刚石热沉片及其制备方法，其特征在于，步骤S1中，依次使用盐酸溶液、丙酮、酒精和去离子水对Cu基底清洗3～5min，然后使用氮气吹干。
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【专利技术属性】
技术研发人员：王进军，
申请(专利权)人：陕西科技大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61