一种实现固体片表面镓基液态金属铺展的方法技术

本发明专利技术提供一种实现固体片表面镓基液态金属铺展的方法，属于电子器件散热技术领域。在不浸润的固体片表面沉积一层连续的Ga2O3薄膜，还原退火Ga2O3薄膜形成从里往外结构的Ga2O3层/Ga‑O混合层/金属Ga层的复合结构薄膜。将镓基液态金属滴在复合结构薄膜表面，镓基液态金属与金属Ga层之间完全润湿，液态金属铺展在固体片表面。本发明专利技术避免了固体片与液态金属之间的电导通，实现了镓基液态金属在固体片表面的浸润和铺展。

A method for spreading gallium based liquid metal on solid surface

The invention provides a method for realizing gallium-based liquid metal spreading on the surface of solid wafers, belonging to the technical field of heat dissipation of electronic devices. A continuous Ga2O3 film was deposited on the surface of the non-wetting solid sheet, and the Ga2O3 film was annealed to form a composite structure film of Ga2O3 layer/Ga_O mixed layer/metal Ga layer from inside to outside. The Ga-based liquid metal droplets are deposited on the surface of the composite structure film. The Ga-based liquid metal is completely wetted between the Ga layer and the Ga layer. The liquid metal is spread on the surface of the solid sheet. The invention avoids conduction between the solid sheet and the liquid metal, and realizes the infiltration and spreading of gallium-based liquid metal on the surface of the solid sheet.

【技术实现步骤摘要】
一种实现固体片表面镓基液态金属铺展的方法
本专利技术涉及一种实现固体片表面镓基液态金属铺展的方法，属于电子器件散热

技术介绍
液态金属是指熔点较低的金属或者金属化合物。一般来讲，其在常温下或者温度略高于常温的条件下就已熔化成为液态。常见的液态金属如水银、金属镓以及镓基金属化合物。液态金属以其较高的导热能力和导电能力在能量管理、转化和储存等各个方面都得到了广泛的应用。众所周知，液态金属镓及其合金具有熔点低、热导率高以及流动性好等优点，特别是其热导率更是远高出常规热界面材料如硅油或其添加有高导热纳米颗粒材料1个数量级，是一种十分理想的热界面材料。近年来，越来越多的学者开始探索液态金属在提高界面传热方面的应用。液态金属直接作为热界面材料易发生溢出的现象，液态金属与固体热沉的润湿性尚不够理想。图1示出镓基液态金属Ga62.5In21.5Sn16在铜片表面形成的液滴，表明镓基液态金属Ga62.5In21.5Sn16在未经特别处理的铜片表面是疏水性的。因此液态金属无法很好地在固体表面铺展,填充于界面后仍会有部分接触面存在一定空隙，因而会影响导热性能。通过对现有文献的检索发现，实现固体表面液态金属铺展的方法主要集中在通过增强液态金属热界面材料在固体表面的润湿性以提高固体表面的液膜铺展特性和传热性能。申请公布号为CN103131396A的专利技术专利“一种热界面材料及其制造方法”通过将金属镓、铟、汞、钠、钾、铯或其二元、多元合金，置于空气或氧气中氧化而形成热界面材料，可大大提升金属基流体与各种界面间的润湿性，从而较好满足热界面材料的要求。但液态金属置于空气或氧气中氧化后液态金属的热导率大大降低，丧失了液态金属作为热界面材料的优势。申请公布号为CN104357795A的专利技术专利“一种通过提高液固表面浸润性实现液体大面积铺展的方法”通过在非润湿表面加工多个球形或椭球形孔，选用特定深度的小孔并限定空间的距离，在非润湿表面的小孔内注射金属液滴，得到的液滴接触角＜90°；当金属液体从上至下流动时，由于同种金属液体之间完全浸润，流动的金属液体会将非润湿表面露出来的金属液滴连接起来，流动的金属液体将会与金属液滴连成一片完整的液膜并覆盖于非润湿固体表面，实现了非润湿表面具有较好润湿性。在固体表面加工球形或椭球形小孔工艺成本高，在小孔内注射金属液滴耗费人力成本，难以工业化推广。
技术实现思路
现有的实现固体表面液态金属铺展的方法存在一定的缺陷，液态金属置于空气或氧气中氧化后在固体表面润湿性大大增强，有益于实现固体表面液态金属铺展，但液态金属氧化后丧失了液态金属高热导率的优势；在非润湿表面加工多个球形或椭球形孔，在非润湿表面的小孔内注射金属液滴，通过提高液固表面浸润性实现液体大面积铺展，小孔加工工艺成本和液滴注射人力成本较高，工业化推广困难。本专利技术的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种实现固体片表面镓基液态金属铺展的方法。图2是本专利技术镓基液态金属在固体片表面铺展的结构示意图，在固体片1表面形成复合结构薄膜2，复合结构薄膜2由Ga2O3层21、Ga-O混合层22、金属Ga层23组成，镓基液态金属膜3铺展在金属Ga层23。本专利技术通过协调固体界面化学组分来改变镓基液态金属在固体表面的润湿性，实现镓基液态金属在固体片表面铺展。本专利技术制造工艺简单、成本低廉，工艺过程中镓基液态金属不需要氧化，具有很好的可实施性。本专利技术提出的一种实现固体片表面镓基液态金属铺展的方法，是用真空磁控非反应溅射镀膜在固体片表面制备Ga2O3薄膜，将Ga2O3薄膜还原退火形成从里往外结构的Ga2O3层/Ga-O混合层/金属Ga层的复合结构薄膜。当镓基液态金属滴在复合结构薄膜表面时，由于镓基液态金属与金属Ga层之间完全润湿，镓基液态金属就会铺展在固体片表面，实现了固体片表面镓基液态金属铺展。为了实现本专利技术的上述目的，特采用以下技术方案：一种实现固体片表面镓基液态金属铺展的方法，包括以下步骤：(1)将高纯度的Ga2O3靶材安装在磁控溅射装置的溅射室中的水冷射频阴极靶槽中，将清洗干净的固体片固定在衬底架，把衬底架插入溅射室中的衬底转盘中，调整固体片与Ga2O3靶材距离为60-70mm。(2)对溅射室抽真空，待溅射室基础压强小于5.0×10-4Pa，向溅射室充入流量20SCCM的高纯Ar气，调整抽气量使溅射室Ar气压强维持在0.2-2Pa。(3)开启Ga2O3靶材的射频电源，溅射功率密度1.5-5.3W/cm2，待射频辉光放电稳定后打开挡板在固体片表面制备Ga2O3薄膜，通过控制溅射时间使Ga2O3薄膜厚度在50-200nm。(4)把Ga2O3薄膜在H2-Ar混合气体中退火，H2-Ar混合气体中H2体积分数5-15%，退火温度480-550℃，退火时间10-15分钟；Ga2O3薄膜还原退火形成从里往外的Ga2O3层/Ga-O混合层/金属Ga层的复合结构薄膜。(5)在Ga2O3层/Ga-O混合层/金属Ga层的复合结构薄膜上面注射镓基液态金属液滴，由于镓基液态金属与金属Ga之间完全润湿，镓基液态金属将会沿固体片表面扩展并附着于固体片表面，实现镓基液态金属在固体片表面铺展。上述步骤(1)中所述的固体片为硅片或铜片上述步骤(5)中所述镓基液态金属为Ga62.5In21.5Sn16、Ga68.5In21.5Sn10、Ga75.5In24.5中的一种。本专利技术的有益效果或特点在于：本专利技术在固体片表面形成从里往外结构的Ga2O3层/Ga-O混合层/金属Ga层的复合结构薄膜，实现了固体片表面镓基液态金属铺展。Ga2O3层避免了固体片与液态金属之间的电导通。相对于目前主要使用氧化液态金属提升金属基流体与各种界面间的润湿性，本专利技术中的镓基液态金属不需要置于空气或氧气中氧化，保持了镓基液态金属高热导率的优势。相对于已有报道的在固体表面加工多个球形或椭球形孔来提高液固表面浸润性和实现液体大面积铺展，本专利技术工艺成本和人力成本相对经济，工艺简单，工业化推广可实施性强。附图说明图1示出镓基液态金属Ga62.5In21.5Sn16在铜片表面形成的液滴，图中：1、铜片；2、镓基液态金属Ga62.5In21.5Sn16；图2是本专利技术镓基液态金属在处理后固体片表面铺展的结构示意图；图中：1、固体片；2、复合结构薄膜；21、Ga2O3层；22、Ga-O混合层；23、金属Ga层；3、镓基液态金属膜。图3示出镓基液态金属Ga62.5In21.5Sn16在处理后铜片表面铺展，图中：1、铜片；2、镓基液态金属Ga62.5In21.5Sn16。具体实施方式下面结合附图和实施例，对本专利技术的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本专利技术，但不用来限制本专利技术的范围。实施例1(1)将高纯度的Ga2O3靶材安装在磁控溅射装置的溅射室中的水冷射频阴极靶槽中，将清洗干净的铜片固定在衬底架，把衬底架插入溅射室中的衬底转盘中，调整铜片与Ga2O3靶材距离为60mm。(2)对溅射室抽真空，待溅射室基础压强小于5.0×10-4Pa，向溅射室充入流量20SCCM的高纯Ar气，调整抽气量使溅射室Ar气压强维持在2Pa。(3)开启Ga2O3靶材的射频电源，溅射功率密度1.5W/cm2，待射频辉光放电稳定后打开挡板在铜片表面制备Ga2O3薄本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种实现固体片表面镓基液态金属铺展的方法，其特征是用真空磁控非反应溅射镀膜在固体片表面制备Ga2O3薄膜，在H2‑Ar混合气体中退火Ga2O3薄膜形成从里往外的Ga2O3层/Ga‑O混合层/金属Ga层的复合结构薄膜，镓基液态金属液滴沿复合结构薄膜表面扩展并铺展在固体片表面。

【技术特征摘要】
1.一种实现固体片表面镓基液态金属铺展的方法，其特征是用真空磁控非反应溅射镀膜在固体片表面制备Ga2O3薄膜，在H2-Ar混合气体中退火Ga2O3薄膜形成从里往外的Ga2O3层/Ga-O混合层/金属Ga层的复合结构薄膜，镓基液态金属液滴沿复合结构薄膜表面扩展并铺展在固体片表面。2.根据权利要求1所述的实现固体片表面镓基液态金属铺展的方法，其特征是在Ar气氛围中射频磁控溅射Ga2O3靶材制备Ga2O3薄膜，固体片与Ga2O3靶材距离为60-70mm，溅射室Ar气压强0.2-2Pa，溅射功率密度1.5-5....

【专利技术属性】
技术研发人员：闫金良，闫慧龙，李宏光，
申请(专利权)人：鲁东大学，
类型：发明
国别省市：山东,37