[发明专利]一种封闭式全金刚石微槽道热沉的制备方法

说明书

一种封闭式全金刚石微槽道热沉的制备方法，属于半导体器件散热领域。基于直流电弧等离子体喷射CVD制备的高质量自支撑金刚石厚板，采用精准激光加工对其进行高低交错翅片结构雕刻成型。接着将钼丝置于低位翅片上，以填补低位翅片与高位翅片的高度差及高位翅片的横向间距。随后经过金刚石生长直至覆盖整个金刚石板并具有一定厚度。最终通过去除钼丝而获得封闭式全金刚石微槽道热沉。本发明所用金刚石厚板生长速度快、厚板均匀致密，质量优异。封闭式全金刚石微槽道换热能力强，能够大幅提升热沉部件的散热性能和应用场景多样性，以实现大功率、高热流、空间环境等极端条件下的有效热排散。

技术领域：

本发明属于高热流密度电子器件散热领域，特别是提供了用于超高热流密度散热的一种封闭式全金刚石微槽道热沉的制备方法。特点是基于直流电弧等离子体喷射CVD制备的高质量自支撑金刚石厚板，采用精准激光加工对其进行高低交错翅片结构雕刻成型。接着将钼丝置于低位翅片上，以填补高低位翅片间高度差及高位翅片横向间距。随后经过金刚石生长直至覆盖整个金刚石板并具有一定厚度。最终通过去除钼丝而获得封闭式全金刚石微槽道热沉。以实现大功率、高热流、空间环境等极端条件下的有效热排散。

技术背景

电子器件发热问题会严重影响其运行性能及服役可靠性，研究表明，器件温度在70-80℃水平每增加1℃，可靠性就会下降5％。而且随着电子器件的小型化、高度集成化趋势的加速，电子器件运行时产生的高热流密度将是限制电力电子器件的关键问题，尤其是在诸如核电站、空间宇航器等特殊应用环境下。目前，大功率通信及导航卫星、定向高能武器以及宽禁带半导体雷达等先进设备，其核心电子器件单位热流密度已高达数百瓦甚至上千瓦。这种情况下所伴随产生的高热量必须及时排散，否则会严重影响设备的服役性能和使用寿命。

微槽道散热是一种排散高热流密度的有效热控技术，其核心部件为具有高深宽比特征的微槽道换热器，仅需很小的体积就能带走大量的热量，而且能很好的满足温度均匀性要求，非常适合对散热量要求大而体积要求高的场合。当前常用的微槽道材料多为金属或半导体材料。然而，其中热导率最高的铜也仅仅具有398W/m·K的热导率，且铜质地较软、化学性质活泼，对高精度加工和导热介质有极高的要求。因此难以满足更高热流密度、更大热冲击、宇宙空间辐射等极端条件下的散热要求。

金刚石因其优异的化学惰性、高硬度、耐辐照和低摩擦系数，尤其是极高的导热率(2200W/m·K)，从而使其被认为是一种极佳的微槽道系统材料。因此，对于上述应用场景下的大功率器件来说，金刚石是一种理想的散热基材，特别是具有冷却介质通过的微槽道系统，可以有效抑制器件温度的升高，从而提高输出功率密度。尽管包括Battiato等在内的学者采用平板印刷术结合等离子体刻蚀、激光雕刻等方法实现金刚石微槽道(Microfluidicsand Nanofluidics,22,92,(2018)；Applied Physics Letters,103,231913,(2013)；Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B,404,193,(2017)；SPIE Proceedings,8923,89232X(2013))，然而所得结构均是基于小尺寸单晶或多晶金刚石薄板的尝试性加工方法试验，且非用于散热使用的热沉结构且未进行散热性能研究。基于金刚石的微槽道结构的报道依然有限，在金刚石中制造微槽道也是具有挑战性的，因为它是已知的最硬的材料，并且对几乎所有的化学物质具有高度的抵抗力。而且大尺寸单晶金刚石或多晶金刚石厚板的制备仍是技术难点，制作微槽道所需的CVD金刚石板必须具备足够的厚度，这对于当前金刚石制备来说也是极具挑战。Qi和Zheng等验证了多晶金刚石厚板的优异导热性能(Applied Thermal Engineering,177,115489,(2020)；Vacuum,177,109377,(2020))。然而所述金刚石热沉是开放式结构，导热应用范围仍然有限。因此，基于金刚石厚板的封闭式全金刚石微槽道热沉成为了极端应用及工程应用领域的期望。该封闭结构全金刚石微槽道热沉能够充分发挥金刚石优异导热率在高效散热方面显示无可比拟的优势的同时还能够在不同条件下发挥金刚石其他优异特性，如耐辐射、高硬度、抗腐蚀等，进一步扩宽金刚石的导热应用领域，提高不同应用场景下的热管理效率。