一种制备大尺寸复杂通道一体式金刚石槽道热沉的方法技术

本发明专利技术提供一种制备大尺寸复杂通道一体式金刚石槽道热沉的方法，包括在金刚石表面和模具表面预先刻蚀槽道后，将金刚石垂直装入模具槽道中，然后进行金刚石生长，生长的金刚石与模具中的金刚石连接成金刚石组合体后，取出样品去除模具。接着将金刚石组合体倒置，在金刚石组合体中的竖直槽道中放入与金刚石组合体贴合紧密的模具材料，并再次进行金刚石生长，再次生长的金刚石与具有模具的金刚石连接到一起后，取出样品再次去除模具，即获得大尺寸复杂通道一体式金刚石槽道热沉。本发明专利技术制备的金刚石槽道具有大厚度、复杂形状的特点，可减少爆沸，实现高流量输入，提高散热效率，同时无需制备超厚金刚石，降低了制备难度和成本。降低了制备难度和成本。降低了制备难度和成本。

【技术实现步骤摘要】
一种制备大尺寸复杂通道一体式金刚石槽道热沉的方法


[0001]本专利技术涉及高热流密度半导体器件散热
，特别涉及一种制备大尺寸复杂通道一体式金刚石槽道热沉的方法。

技术介绍

[0002]金刚石热导率高达2000W/m
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K，是最高热导率的块体材料，因此最高散热能力的槽道热沉均由金刚石制成。目前金刚石微槽道热沉主要分为直微槽道和歧管式微槽道。在这些金刚石槽道热沉中，决定热沉散热能力主要包括器件中散热界面数量、槽道流量、槽道形状和散热器件尺寸等。
[0003]通常传热界面少、槽道流量大、槽道形状复杂、散热器尺寸大会增加金刚石微槽道热沉的散热能力。
[0004]金刚石通常沉积厚度较薄，金刚石微槽道热沉通常采用厚度方向组合叠加方式形成较厚的器件增加散热能力，但这种组合方式形成的金刚石热沉增加了多个界面，对于热传输起到副作用，因此热阻增加。
[0005]为了增加热流传输能力，全金刚石整体封闭式微槽道散热器件在近几年得到发展。郑等科研工作者通过制备超厚金刚石膜和金刚石板得到全金刚石微槽道散热器，其厚度尺寸提高到3mm以上水平，实现了高热流密度散热能力。
[0006]但金刚石超厚膜最大厚度只能为沉积后的研磨厚度，目前CVD金刚石超厚膜难超过10mm。通常沉积厚度在7mm以下，研磨厚度在5mm以下。流水槽道由激光切割在厚度方向而成，因此这也是微槽道厚度方向的极限尺寸。虽可以进行二次生长，但超厚金刚石超大的晶粒，进行二次生长缺陷数量和晶粒尺寸较难控制。
[0007]如前所述，微槽尺寸对金刚石热沉器件散热能力起到重要作用。但采用超厚金刚石膜直接雕刻成型的方式，难以突破当前技术所能达到的沉积厚度极限。
[0008]同时，沉积金刚石超厚膜受沉积速率限制，通常沉积时间在1个月左右，在此时间内需要连续稳定运行；金刚石与衬底热膨胀系数差异大，强大内应力易导致膜开裂，这都是极为苛刻的沉积条件，导致超厚金刚石制备难度大、成本高。因此，沉积超厚金刚石膜的高难度和高成本都限制了其应用范围。
[0009]此外，金刚石采用激光切割或等离子体刻蚀方式，只能雕刻出简单几何形状的通道，如方形、圆形等，但此类简单几何形状会在表面形成大气泡，降低散热效率，引起爆沸。如果能形成复杂形状通道，将会有更好的散热效果。
[0010]工程应用中高功率、大尺寸散热器件不断被应用，对于大尺寸、高性能散热器的需求不断增大。为了提高散热微槽道尺寸，降低成本，本专利技术提出了一种不受沉积厚度限制的全金刚石热沉，同时仅需要较薄多晶金刚石、切割余料或非完整金刚石均可以实现此散热器设计，可以大幅度降低成本。

技术实现思路

[0011]本专利技术针对化学气相沉积(CVD)制备的金刚石厚度通常小于10mm的缺点，提出了一种采用激光预先雕刻槽道，采用垂直放置，拼接生长的方式，所制备的金刚石槽道具有大厚度、复杂形状的特点，可以实现应力小、大槽道尺寸、防爆沸、高功率、高热流密度，同时无需制备超厚金刚石，降低了制备难度和成本。
[0012]为解决上述技术问题，本专利技术提供如下技术方案：
[0013]一种制备大尺寸复杂通道一体式金刚石槽道热沉的方法，包括在金刚石表面和模具表面预先刻蚀槽道后，将金刚石垂直装入模具槽道中，然后进行金刚石CVD生长，生长的金刚石达到一定厚度并与模具中的金刚石连接成金刚石组合体后，取出样品去除模具。接着将金刚石组合体倒置，在金刚石组合体中的竖直槽道中放入与金刚石组合体贴合紧密的模具材料，并再次进行金刚石CVD生长，再次生长的金刚石达到一定厚度并与具有模具的金刚石连接到一起后，取出样品再次去除模具，即获得大尺寸复杂通道一体式金刚石槽道热沉。
[0014]进一步的，所述方法具体包括：
[0015]步骤S1、金刚石膜制备、平整化处理：
[0016]使用CVD方法获得厚度大于100μm的金刚石膜，并研磨去除金刚石膜的粗糙表面；
[0017]步骤S2、带有槽道长方体金刚石和模具准备：
[0018]将金刚石膜切割成长方体金刚石，并在切割好的金刚石表面刻蚀出槽道；同时在模具表面刻蚀出可以垂直盛放带槽道的金刚石的槽道；
[0019]步骤S3、第一组合体装配：
[0020]将带槽道的长方体金刚石垂直装入模具槽道中获得第一组合体；
[0021]步骤S4、第二组合体沉积：
[0022]将第一组合体以模具槽道向上的方式放入CVD系统中沉积金刚石，待沉积的金刚石达到一定厚度并与模具中的金刚石连接成组合体后，停止金刚石沉积得到第二组合体；
[0023]步骤S5、获得上部拼接完成的金刚石组合体：
[0024]将第二组合体取出，放入可以去除模具材料的溶液中，待模具完全去除后，获得上部拼接完成的金刚石组合体并清洗；
[0025]步骤S6、第三组合体装配：
[0026]清洗结束后，将上部拼接完成的金刚石组合体倒置，在金刚石组合体竖直槽道中，再次放入与金刚石组合体贴合紧密的长方体模具，形成第三组合体；优选地，模具的材质与步骤S3的模具的材质相同；
[0027]步骤S7、获得大尺寸复杂通道一体式金刚石槽道：
[0028]将第三组合体再次放入CVD系统进行金刚石沉积，待沉积的金刚石达到一定厚度并和第三组合体中的金刚石连接到一起后，停止金刚石沉积，取出放入可以去除模具材料的溶液中，待模具完全去除后，获得大尺寸复杂通道一体式金刚石槽道。
[0029]可选地，CVD系统包括热丝CVD、直流电弧等离子体喷射CVD、微波等离子体CVD等方法，沉积温度800℃～1000℃，甲烷和氢气体积比范围1∶300～1∶15，在此条件下才能保证制备的金刚石材料热导率超过1500W/m
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K。
[0030]可选地，步骤S3和步骤S6中金刚石和模具上方平齐，便于金刚石连接；步骤S3中带
槽道的长方体金刚石垂直放入模具槽道中，槽道方向平行于模具槽道底面。
[0031]可选地，步骤S2中使用激光或刻蚀机在金刚石表面沿厚度方向向下刻蚀出槽道，深度小于金刚石厚度；若采用激光处理，其工艺为激光波长1064nm，功率10～40W，脉冲频率100～500Hz；若采用刻蚀机，工艺温度为30℃～70℃，腔室压力2～10Pa，刻蚀功率500～1000W；激光处理除加工U或V形截面外，还可以采用五轴激光器进行刻蚀，形成近似半齿轮形等复杂形状。
[0032]可选地，金刚石表面刻蚀槽道时，可以为单面刻蚀也可以为双面刻蚀。
[0033]可选地，步骤S3中模具两侧的槽道中装入单面刻蚀槽道的金刚石，其余槽道中装入双面刻蚀槽道的金刚石。
[0034]可选地，单面刻蚀槽道金刚石厚度任意选择，优选厚度为双面刻蚀槽道的金刚石厚度的一半；单面刻蚀槽道的金刚石的槽道尺寸与位置和双面刻蚀槽道的金刚石的槽道尺寸与位置优选为相同；单面刻蚀槽道的金刚石其槽道朝向双面刻蚀槽道的金刚石。
[0035]可选地，模具材质要求为可沉积金刚石本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种制备大尺寸复杂通道一体式金刚石槽道热沉的方法，其特征在于，包括：在金刚石表面和模具表面预先刻蚀槽道后，将金刚石垂直装入模具槽道中，然后进行金刚石CVD生长，生长的金刚石达到一定厚度并与模具中的金刚石连接成金刚石组合体后，取出样品去除模具。接着将金刚石组合体倒置，在金刚石组合体中的竖直槽道中放入与金刚石组合体贴合紧密的模具材料，并再次进行金刚石CVD生长，再次生长的金刚石达到一定厚度并与具有模具的金刚石连接到一起后，取出样品再次去除模具，即获得大尺寸复杂通道一体式金刚石槽道热沉。2.根据权利要求1所述方法，其特征在于，包括：步骤S1、金刚石膜制备、平整化处理：使用CVD方法获得厚度大于100μm的金刚石膜，并研磨去除金刚石膜的粗糙表面；步骤S2、带有槽道长方体金刚石和模具准备：将金刚石膜切割成长方体金刚石，并在切割好的金刚石表面刻蚀出槽道；同时在模具表面刻蚀出可以垂直盛放带槽道的金刚石的槽道；步骤S3、第一组合体装配：将带槽道的长方体金刚石垂直装入模具槽道中获得第一组合体；步骤S4、第二组合体沉积：将第一组合体以模具槽道向上的方式放入CVD系统中沉积金刚石，待沉积的金刚石与模具中的金刚石连接成组合体并达到一定厚度后，停止金刚石沉积得到第二组合体；步骤S5、获得上部拼接完成的金刚石组合体：将第二组合体取出，放入可以去除模具材料的溶液中，待模具完全去除后，获得上部拼接完成的金刚石组合体并清洗；步骤S6、第三组合体装配：清洗结束后，将上部拼接完成的金刚石组合体倒置，在金刚石组合体竖直槽道中，再次放入与金刚石组合体贴合紧密的长方体模具，形成第三组合体；优选地，模具的材质与步骤S3的模具的材质相同；步骤S7、获得大尺寸复杂通道一体式金刚石槽道：将第三组合体再次放入CVD系统进行金刚石沉积，待沉积的金刚石和第三组合体中的金刚石连接到一起并达到一定厚度后，停止金刚石沉积，取出放入可以去除模具材料的溶液中，待模具完全去除后，获得大尺寸复杂通道一体式金刚石槽道...

【专利技术属性】
技术研发人员：安康，吴海平，许光宇，刘峰斌，李鸿，王宁，胡一凡，姜欣宇，郭梓腾，
申请(专利权)人：北方工业大学，
类型：发明
国别省市：