一种金刚石金属复合结构、导热片及其制备方法技术

本申请涉及导热材料技术领域，尤其是涉及的是一种金刚石金属复合结构、导热片及其制备方法。其中，复合结构，包括复合层，该复合层包括金刚石层与金属复合层，该金刚石层由若干个金刚石核壳结构密堆积排布形成的，该金刚石核壳结构包括金刚石颗粒、金属化层；该金属复合层设置在该金刚石层外，且用于填充金刚石核壳结构之间的缝隙与空缺。本申请的金刚石金属复合结构为复合层，每层金刚石层是由若干个尺寸均一、形状一致的方晶金刚石核壳结构经过密堆积排布形成的，该密堆确保金刚石体积占比最大化，金属化层和金属复合层的作用在于尽可能降低金刚石之间的热阻，以低成本易加工的方式获得高热导率材料。得高热导率材料。得高热导率材料。

【技术实现步骤摘要】
一种金刚石金属复合结构、导热片及其制备方法


[0001]本申请涉及导热材料
，尤其是涉及的是一种金刚石金属复合结构、导热片及其制备方法。

技术介绍

[0002]高热导率材料是目前电子行业大功率零部件(特别是高频率或者大功率芯片)发展的重要支撑。目前市场常用的铜合金及铝合金的热导率大概在100W/m.K以下，要满足高功率器件的温度控制，热导率最好在850W/m.K左右或者更高。
[0003]金刚石是自然界中热导率最高的物质，常温下热导率为2200～2600W/(m
·
K)，热膨胀系数约为0.86
×
10
‑
6/K，且在室温是绝缘体。金属铜的热导率高、价格低、容易加工，是最常用的封装材料，其热导率为386W/(m
·
K)，热膨胀系数为17
×
10－6/K，符合电子封装基片材料低热膨胀系数和高热导率的使用性能要求，但目前热导率需求达到800W/(m
·
K)已经高于铜的性能极限。金刚石是良好的导热材料，但因为金刚石(包括再合成的聚晶金刚石等)本身加工困难，不能适应导热片的形状要求。本申请提供的金刚石和金属铜或者银复合结构技术，能够以低廉的成本实现易加工高热导率的材料。

技术实现思路

[0004]本申请的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本申请而了解。本申请的目的和其他优点可通过说明书以及说明书附图中所特别指出的结构来实现和获得。
[0005]本申请的目的在于克服上述不足，提供了一种金刚石金属复合结构、导热片及其制备方法。其中，该金刚石复合结构包括具有金刚石层与金属复合层一起构成的复合层，金刚石层是由若干个金刚石核壳结构密堆积排布形成的，金刚石核壳结构包括金刚石颗粒、包覆在该金刚石颗粒外的金属化层，由于金属化层的熔点高于金属复合层的熔点，在金刚石与金属复合时，金属复合层会熔融，但金属化层不会熔融，通过金属化层的过度形成金刚石和金属复合层之间的良好润湿。此外，金属复合层在熔融过程中，能够填充金刚石核壳结构之间的间隙与空缺部位，使得金刚石金属复合结构更加紧密贴合与稳定，同时也能够大大提升金属导热片的热导率。
[0006]第一方面，本申请提供了一种金刚石金属复合结构，包括复合层，该复合层包括金刚石层与金属复合层，该金刚石层由若干个金刚石核壳结构密堆积排布形成的，该金刚石核壳结构包括金刚石颗粒、包覆在该金刚石颗粒外的金属化层；该金属复合层设置在该金刚石层外，且用于填充金刚石核壳结构之间的缝隙与空缺。
[0007]本申请的金刚石金属复合结构为层状结构，即复合层，该复合层包括金刚石层与金属复合层，其中，金刚石层是由若干个金刚石核壳结构经过密堆积排布形成的，使得金刚石层中的金刚石核壳结构排列有序且紧密，最大程度提高金刚石在复合层中的体积占比。此外，金刚石核壳结构是以金刚石颗粒为内核、金属化层为外壳，金属化层作为金刚石内核
和金属复合层的过渡层，大幅度降低了金刚石和金属复合层之间的润湿角从而降低金刚石
‑
金属复合层界面热阻，结合大比例的金刚石体积占比达到最大限度提高复合结构的热导率的目的。
[0008]在一些实施例中，该金刚石层与该金属复合层的体积比为7
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9.5:3
‑
0.5。本申请通过合理地选择金刚石形状和尺寸，再通过排布优化，最大比例的提高金刚石的占比，通过金刚石表面金属化和铜/银单质作为连接层，大大提升了金刚石金属复合结构的热导率。
[0009]在一些实施例中，该金属化层的熔点高于该金属复合层的熔点。本申请选择熔点高的作为金属化层、熔点低的作为金属复合层，在金刚石与金属复合时，金属复合层会熔融，但金属化层不会熔融，该结构降低了金刚石和金属之间原本较大的润湿角。此外，金属复合层在熔融过程中，能够填充金刚石核壳结构之间的间隙与空缺部位，使得金刚石金属复合结构各部分的热阻降低，同时也能够大大提升金属导热片的热导率。
[0010]在一些实施例中，该金刚石层与该金属复合层的体积比为7
‑
9.5:3
‑
0.5；该金属化层的熔点高于该金属复合层的熔点。本申请通过合理地设置金刚石层与金属复合层之间的体积比，以及选择熔点高的作为金属化层、熔点低的作为金属复合层，在金刚石与金属复合时，金属复合层会熔融，但金属化层不会熔融，该结构降低了金刚石和金属之间原本较大的润湿角。此外，金属复合层在熔融过程中，能够填充金刚石核壳结构之间的间隙与空缺部位，使得金刚石金属复合结构各部分的热阻降低，同时也能够大大提升金属导热片的热导率。
[0011]在一些实施例中，该金刚石为方晶金刚石。本申请通过将金刚石成方晶金刚石，使得金刚石能够较容易的排布成为二维密堆积结构，同时金刚石的体积占比能够最大化。
[0012]在一些实施例中，该金属化层为钛层、铜层或铁层；该金属复合层为铜层或银层。良好结晶的金属具有接近原金属块材的热导率，进一步的在和金刚石接触良好的情况下能够发挥最好的导热效果，因此，本申请将金属化层设置成单纯的钛层、铜层或铁层以及将金属复合层设置成单纯的铜层或银层，在热压烧结时金属结晶良好的前提下保证最高的热导率。
[0013]在一些实施例中，该金刚石颗粒的粒径为25μm
‑
600μm。本申请通过将金刚石颗粒的粒径设置成25μm
‑
600μm，根据目标零部件的尺寸形状，选择不同尺寸的金刚石层，从而实现金刚石体积占比最大化。
[0014]在一些实施例中，该金属化层的厚度为1
‑
3nm。本申请通过将金属化层的厚度设置成1
‑
3nm，提前将金刚石金属化是为了降低金刚石和金属复合层之间的润湿角，从而降低界面热阻。
[0015]第二方面，本申请提供了一种金刚石金属复合导热片，包括多个金刚石金属复合结构，该金刚石金属复合结构包括复合层，该复合层包括金刚石层与金属复合层。该金刚石层由若干个金刚石核壳结构密堆积排布形成的，该金刚石核壳结构包括金刚石颗粒、包覆在该金刚石颗粒外的金属化层；该金属复合层设置在该金刚石层外，且用于填充金刚石核壳结构之间的缝隙与空缺。
[0016]本申请的金刚石金属复合导热片是由多个金刚石金属复合结构构成的，该金刚石复合结构包括具有金刚石层与金属复合层一起构成的复合层，其中，金刚石层是由若干个金刚石核壳结构密堆积排布形成的，金刚石核壳结构包括金刚石颗粒、包覆在该金刚石颗
粒外的金属化层，由于金属化层的熔点高于金属复合层的熔点，在金刚石与金属复合时，金属复合层会熔融，但金属化层不会熔融，因此，金刚石金属的复合热导率会得到大大地提高。此外，金属复合层在熔融过程中，能够填充金刚石核壳结构之间的间隙与空缺部位，使得金刚石金属复合结构更加紧密贴合与稳定，同时也能够大大提升金属导热片的热导率。
[0017]在一些实施例中，该复合导热片的热扩散系数为本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种金刚石金属复合结构，其特征在于，包括复合层，该复合层包括金刚石层，其由若干个金刚石核壳结构密堆积排布形成的，该金刚石核壳结构包括金刚石颗粒、包覆在该金刚石颗粒外的金属化层；金属复合层，其设置在该金刚石层外，且用于填充金刚石核壳结构之间的缝隙与空缺。2.根据权利要求1所述的金刚石金属复合结构，其特征在于，该金刚石层与该金属复合层的体积比为7
‑
9.5:3
‑
0.5。3.根据权利要求1所述的金刚石金属复合结构，其特征在于，该金属化层的熔点高于该金属复合层的熔点。4.根据权利要求1所述的金刚石金属复合结构，其特征在于，该金刚石层与该金属复合层的体积比为7
‑
9.5:3
‑
0.5；该金属化层的熔点高于该金属复合层的熔点。5.根据权利要求1
‑
4中任意一项所述的金刚石金属复合结构，其特征在于，该金刚石为方晶金刚石。6.根据权利要求1
‑
4中任意一项所述的金刚石金属复合结构，其特征在于，该金属化层为钛层、铜层或铁层；该金属复合层为铜层或银层。7.根据权利要求5所述的金刚石金属复合结构，其特征在于，该金属化层为钛层、铜层或铁层；该金属复合层为铜层或银层。8.根据权利要求1
‑
4中任意一项所述的金刚石金属复合结构，其特征在于，该金刚石颗粒的粒径为25μm
‑
600μm。9.根据权利要求1
‑
4中任意一项所述的金刚石金属复合结构，其特征在于，该金属化层的厚度为1
‑
3nm。10.一种金刚石金属复合导热片，其特征在于，包括多个金刚石金属复合结构，该金刚石金属复合结构包括复合层，该复合层包括金刚石层，其由若干个金刚石核壳结构密堆积排布形成的，该金刚石核壳结构包括金刚石颗粒、包覆在该金刚石颗粒外的金属化层；金属复合层，其设置在该金刚石层外，且用于填充金刚石核壳结构之间的缝隙与空缺。11.根据权利要求10所述的金刚石金属复合导热片，其特征在于，该复合导热片的热扩散系数为400
㎡
/s
‑
550
㎡
/s。12.根据权利要求10所述的金刚石金属复合导热片，其特征在于，该复合导热片的导热系数为850W/(m*K)
‑
1000W/(m*K)。13.一种金刚石金属复合导热片的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：复合层的制备，将金刚石核壳结构通过振动器分散排布在金属复合层上，并通过超声焊接将金刚石核壳结构与金属复合层焊接成一体，形成二维密积排布结构的复合层；其中金属复合层的厚度根据复合层中金属体积占比确定；导热片的制备，将多层复合层进行堆叠、真空热压烧结，形成导热片。14.根据权利要求13所述的金刚石金属复合导热片的制备方法，其特征在于，该金刚石核壳结构是由金刚石颗粒通过金属化而形成的，该金属化包括以下步骤：清洗步骤，将金刚石颗粒置于王水中经过超声震荡清洗10min
‑
20min，然后用纯净水和酒精交替清洗至少2次，得到...

【专利技术属性】
技术研发人员：孟崇，黄莹华，鲍昭崇，黄毅，钱昭，李锴，
申请(专利权)人：万龙时代科技有限公司，
类型：发明
国别省市：