一种歧管式全金刚石微通道散热器的制备方法技术

一种具备歧管式流体路径的全金刚石微槽道散热器的制备方法，属于高功率器件散热领域。歧管式全金刚石微通道由封装盖板、分流基板、微通道基板和封装底板组成。首先，通过二次形核及动态调节沉积面的CVD制备工艺，制备高品质、无裂纹、金刚石自支撑厚膜；再通过机械研磨抛光平整化表面；然后采用特殊的激光加工工艺实现对金刚石板内矩形微通道尺寸定型；同时对焊接面进行金属化处理，提高其焊接性能：最后，通过真空钎焊技术将金刚石板按顺序焊接到一起，获得尺寸及槽型合格的歧管式全金刚石微槽道换热器，使其满足高热流密度换热器的散热设计要求。这种微通道换热器可用于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高功率先进设备的有效热管理。

【技术实现步骤摘要】
一种歧管式全金刚石微通道散热器的制备方法
本专利技术属于高热流密度电子器件散热领域，特别是提供了一种用于超高热流密度散热的歧管式全金刚石微通道散热器的制备方法，是一种具有复杂交错结构的全金刚石微通道散热器。
技术介绍
随着电子器件的微型化和集成化不断提高，电子器件运行时产生的热流密度快速提高，这些热量若不及时排除，将会严重影响电子器件和电子系统的工作稳定性和安全可靠性。据统计，55％的电子设备失效是由于过高的工作温度导致的。具有高发热功率系统的微电子设备的有效热管理成为微电子设备发展亟待解决的问题。微通道散热器由于具有很高的表体比，其传热速率远高于普通冷却设备所能达到的水平，为微电子设备结构设计紧凑和高效冷却提供了有利条件。当前常用的微通道材料多为金属材料(例如Cu)和半导体材料(例如Si)。硅材料的热导率随温度有较大的变化，限制了其对高热流密度的有效耗散，且硅微通道强度较低，难以实现精细化加工，焊接工艺复杂。铜微通道结构虽具有较高的热导率(398W/m·K)，但机械加工方法存在加工剪应力，不能满足微通道高深宽比结构的要求，对于高热流密度，其耗散能力有限。同时由于Cu、Si等传统的微通道热沉制备材料热膨胀系数大，受热后膨胀容易引发循环热应力损坏电子元器件，难以满足先进电子技术对封装散热材料的要求。金刚石是自然界中已知热导率最高的材料，同时其具有非常稳定的物理和化学惰性，以及极高的机械强度和电绝缘性，被认为是制作微通道换热器的理想材料。专利CN108682662A公开了一种金刚石微通道制备方法，然而上诉方法成型的金刚石微通道槽道裸露，需盖板实现密封安装，增加了封装难度。杂志MaterialsLetters2019年，第255卷，文献号码：126556，在具有沟槽的单晶金刚石上外延横向生长金刚石层，获得了自密封微通道，但所述微通道尺寸小，形状不规整，且通道路径为平直通道，易在高热流密度下引发沸腾不稳定性及局部干涸现象，无法有效应对超高热流密度器件的热管理系统设计要求。
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，提供一种获得厚金刚石板的工艺，并且基于厚金刚石板制备双层交错矩形结构全金刚石微通道，同时采用歧管式设计，利用冷却剂在微通道内的分流和充分混合，加强扰动，破坏热边界层，降低流动不稳定性，增大有效换热面积，提高冷却能力，解决高热流密度电子器件的散热问题。首先采用直流电弧等离子体喷射CVD系统，通过多次再形核及动态调整沉积台高度，实现大面积金刚石厚膜的均匀致密沉积。采用机械研磨抛光技术，去除金刚石膜表面的突起，实现表面平整化；随后激光成型一定尺寸金刚石板，并通过动态调节激光入射角度，精密加工金刚石板正反两面，在金刚石板内实现具有矩形截面形状的高深宽比微通道加工，最后，将金刚石板按顺序焊接起来，形成歧管式全金刚石微通道散热器。一种歧管式全金刚石微通道散热器的制备方法，其特征在于采用直流喷射CVD方式，通过二次形核及动态调节沉积台高度制备高质量自支撑金刚石厚膜，然后通过研磨抛光工艺平整化表面；随后采用专用激光器通过特殊工艺加工成型具有矩形截面通道的金刚石板，并在金刚石板表面溅射过渡层，通过焊接实现板件的牢固连接；同时，通过金刚石板组合而成的换热器内部具有歧管式的微流体通道设计，用于泵驱传热流体回路，可以同时实现流体扰动和金刚石的高效热扩。如上所述歧管式全金刚石微通道散热器的制备方法，具体制备步骤如下：1)使用直流电弧等离子体喷射金刚石膜沉积系统，选用高温钼或石墨作为金刚石厚膜沉积衬底；设定初始沉积工艺后，在沉积过程中多次通过增多高能碳原子基团浓度，实现二次形核，同时在沉积阶段，动态调整沉积台高度，使沉积面距阳极间距始终保持在特定范围；获得厚度为3～5mm的金刚石厚膜。2)为满足后续金刚石板之间的高质量连接，必须保证各金刚石板表面平整度；利用研磨抛光机对金刚石厚膜进行研磨抛光，使其表面粗糙度达到0.1～2μm之间；3)为获得符合结构尺寸的金刚石板，需要利用高能激光束流切割金刚石膜；但由于金刚石厚膜在沉积过程中产生的内应力和激光束在加工过程中形成的热应力集中，这使得金刚石厚膜在激光加工中易发生断裂；所以，在加工时需先采用低功率、低速率激光切割工艺，后续调整为加工工艺参数；激光器选用YAG激光发生器，激光波长1064nm；设定加工参数及加工路径，将步骤2)后金刚石膜加工成型特定尺寸的金刚石板，板材厚度达1～2mm；4)为实现在金刚石板构建矩形截面微流通道，需精确控制激光光斑大小、聚焦深度、光束汇聚角度、切割次数以及切割速率等参数，同时对金刚石板正反两面精细加工，获得高深宽比结构和良好的表面质量的矩形截面的微通道。激光开口入射角度需随加工深度的变化而不断变化，以克服高斯激光加工弊端。同时由于通道尺寸限制了激光的偏转角度范围，为实现矩形通道，采用正反双面加工；通过偏转激光头或调整样品台X-Y方向上的倾斜高度，调节激光光束的角度；5)采用高真空溅射镀膜机，在步骤4)后各金刚石板间接触面镀制TiNi过渡层；对激光加工而成的各金刚石板进行有效的连接，以形成歧管式全金刚石微通道；首先，需要对金刚石板间连接面金属化，一方面提高焊接接头的结合强度，金属镀层能起过渡作用，将金刚石与结合剂牢固结合起来，从而提高整个焊接接头的结合强度；另一方面，在高温焊接时，镀层可以隔离保护金刚石，使之难以发生石墨化、氧化及其它化学反应；6)通过表面金属化及真空焊接技术将步骤5)后的金刚石板按顺序焊接起来，实现金刚石板之间的有效连接，且满足高焊接强度及低热阻的要求。焊接的钎料可以选择Ag-Cu-Ti、Cu-Zn-Ti、Ti-Ni-Au等。进一步地，所述的微通道换热器为全金刚石材质，散热器厚度尺寸在4～8mm。进一步地，所述的全金刚石微通道的流动路径为歧管式，截面形状为矩形，通过内部歧管式微流体路径设计，打破流体流动的速度边界层和热边界层，促进冷热流体混合，增强了换热，大大增加换热面积及冷热流体混合。进一步地，通过多次形核及动态调节沉积台高度的方法，获得高质量金刚石厚膜，厚度为3～5mm，加工完后金刚石板厚度等于1～3mm。进一步地，步骤2)所述机械研磨方式是要将其表面粗糙度减至粗糙度为0.1～2μm，同时CVD金刚石膜厚度均匀性±10％以内。进一步地，所述分流基板和微槽基板加工是通过切精确控制激光光斑大小、聚焦深度、光束汇聚角度、切割次数、切割速率及正反两面切割；以小范围调节激光光束的偏转角度来克服激光能量的高斯分布加工弊端，获得高深宽比矩形截面槽道结构形状。进一步地，所述金刚石板焊接面镀TiNi过渡层，实现焊接表面金属化，便于后续焊接。进一步地，所述金刚石板通过真空钎焊技术连接起来，焊接结合强度大且热阻小。进一步地，采用直流喷射CVD方法沉积金刚石厚膜，调整形核工艺，实现二次再形核，抑制大的柱状晶异常生长，同时随着金刚石膜不断沉积动态降低沉积台高度，提高金刚石膜晶粒致密度，从而保证金刚石厚膜高质量沉积，有效生长厚度本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种歧管式全金刚石微通道散热器的制备方法，其特征在于采用直流喷射CVD方式，通过二次形核及动态调节沉积台高度制备高质量自支撑金刚石厚膜，然后通过研磨抛光工艺平整化表面；随后采用专用激光器通过特殊工艺加工成型具有矩形截面通道的金刚石板，并在金刚石板表面溅射过渡层，通过焊接实现板件的牢固连接；同时，通过金刚石板组合而成的换热器内部具有歧管式的微流体通道设计，用于泵驱传热流体回路，可以同时实现流体扰动和金刚石的高效热扩。/n

【技术特征摘要】
1.一种歧管式全金刚石微通道散热器的制备方法，其特征在于采用直流喷射CVD方式，通过二次形核及动态调节沉积台高度制备高质量自支撑金刚石厚膜，然后通过研磨抛光工艺平整化表面；随后采用专用激光器通过特殊工艺加工成型具有矩形截面通道的金刚石板，并在金刚石板表面溅射过渡层，通过焊接实现板件的牢固连接；同时，通过金刚石板组合而成的换热器内部具有歧管式的微流体通道设计，用于泵驱传热流体回路，可以同时实现流体扰动和金刚石的高效热扩。


2.如权利要求1所述歧管式全金刚石微通道散热器的制备方法，其特征在于具体制备步骤如下：
1)使用直流电弧等离子体喷射金刚石膜沉积系统，选用高温钼或石墨作为金刚石厚膜沉积衬底；设定初始沉积工艺后，在沉积过程中多次通过增多高能碳原子基团浓度，实现二次形核，同时在沉积阶段，动态调整沉积台高度，使沉积面距阳极间距始终保持在特定范围，获得厚度为3～5mm的金刚石厚膜；
2)为满足后续金刚石板之间的高质量连接，必须保证各金刚石板表面平整度；利用研磨抛光机对金刚石厚膜进行研磨抛光，使其表面粗糙度达到0.1～2μm之间；
3)为获得符合结构尺寸的金刚石板，需要利用高能激光束流切割金刚石膜；但由于金刚石厚膜在沉积过程中产生的内应力和激光束在加工过程中形成的热应力集中，这使得金刚石厚膜在激光加工中易发生断裂；所以，在加工时需先采用低功率、低速率激光切割工艺，后续调整为加工工艺参数；激光器选用YAG激光发生器，激光波长1064nm；设定加工参数及加工路径，将步骤2)后金刚石膜加工成型特定尺寸的金刚石板，板材厚度达1～2mm；
4)为实现在金刚石板构建矩形截面微流通道，需精确控制激光光斑大小、聚焦深度、光束汇聚角度、切割次数以及切割速率参数，同时对金刚石板正反两面精细加工，获得高深宽比结构和良好的表面质量的矩形截面的微通道；激光开口入射角度需随加工深度的变化而不断变化，以克服高斯激光加工弊端；同时由于通道尺寸限制了激光的偏转角度范围，为实现矩形通道，采用正反双面加工；通过偏转激光头或调整样品台X-Y方向上的倾斜高度，调节激光光束的角度；
5)采用高真空溅射镀膜机，在步骤4)后各金刚石板间接触面镀制TiNi过渡层；对激光加工而成的各金刚石板进行有效的连接，以形成歧管式全金刚石微通道；首先，需要对金刚石板间连接面金属...

【专利技术属性】
技术研发人员：魏俊俊，涂军磊，史佳东，陈良贤，张建军，李成明，刘金龙，高旭辉，
申请(专利权)人：北京科技大学，北京科技大学顺德研究生院，
类型：发明
国别省市：北京;11