一体化金刚石微空腔支柱阵列强化池热沉的制备方法

摘要

本发明公开一体化金刚石微空腔支柱阵列强化池热沉的制备方法，所述方法采用研磨抛光双面金刚石自支撑板为基底，通过甩胶、曝光、显影、ICP刻蚀、激光切割获得表面带有微空腔支柱的金刚石底板；再将钼粉填充至底板的微空腔支柱内和支柱间隙且填充钼粉与底板外沿高度一致，以CVD技术继续生长金刚石，之后对底板进行封装使其具有一定的厚度；最终通过超声酸洗去除钼粉，获得一体化金刚石微空腔支柱阵列强化池热沉。该产品能够有效进行沸腾能量传递，在能量应用中具有巨大的效用。同时克服了长久以来的通过金刚石微通道提高散热的技术偏见，避免了现有技术中诸多降低散热效率的缺陷，进一步提高了HTC和CHF，利于工业大规模推广和使用。

说明书

技术领域

本发明属于高热流密度电子器件散热技术领域，具体涉及一体化金刚石微空腔支柱阵列强化池热沉的制备方法。

背景技术

工业技术的飞速发展使得许多行业对器件的热性能管理有了更高的要求，尤其是以微电子领域为代表的以精细化为目标的微型器件。除此以外，超级计算机、电子动力汽车以及核工业等众多领域也不断的涌现出与热性能管理相关的新挑战。沸腾传热作为一种极具潜力的散热方式，但是目前的强化池的HTC和CHF并不能满足人们的需求。

强化池为一种传热结构，是加强气泡成核、生长、脱离等过程进行快速换热的方式，特别是液体工质对换热扰动性小。如今，强化池的制备材料多为金属(例如Cu、Al)和半导体材质(例如Si)。其中，金属铜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，不能满足微通道表面微结构的要求，对于高热流密度，其热耗散能力有限；金属铝虽然不存在金属铜的剪切应力，但是热导率(237W/m·K)相对较低，还不能用于酸碱等极端环境，应用性能有限。而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。同时由于Cu、Al、Si等传统的强化池热沉的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。

众所周知，金刚石是自然界中已知的热导率最高的材料；由于其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，通常被人们认为是制作微通道换热器的理想材料。

例如：中国专利CN113161307A公开了具有交错的翅片结构的封闭式全金刚石微槽热沉，拥有一体化金刚石结构。但是微槽的表面为平面，在高热流条件下，沸腾换热性能较弱，沸腾时气泡离受到的表面张力更大，削弱了气泡的脱离，减小了沸腾换热系数，金刚石微通道热排散效率较低。因此需要改进该金刚石微槽的表面结构，提升其沸腾换热能力。

鉴于此，特提出本发明。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是现有的金刚石微槽热沉散热效率较低，需要减少强化池的气泡的合并以及快速脱附气泡，提升其沸腾传热系数(the heat transfercoefficient，HTC)和界热通量(the critical heat flux，CHF)，进一步提升器件的沸腾换热能力。

为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：

一体化金刚石微空腔支柱阵列强化池热沉，一体化指无焊接形成强化池热沉散热器；微空腔支柱指金刚石微柱中心为凹型空腔圆柱，形成表面微尺度空腔阵列化结构支柱模块，具有高HTC和CHF，表现为强换热性能。

为实现上述期望，本发明针对高的HTC和CHF以及特殊极端环境下，满足散热器件的工作要求，同时根据金刚石性能和加工条件要求，提出一体化金刚石微空腔支柱阵列强化池热沉的制备方法。基于直流等离子体喷射CVD制备高质量的自支撑金刚石板，采用研磨抛光双面金刚石自支撑板为基底，通过甩胶、曝光、显影、ICP刻蚀、激光切割等过程获得表面带有微空腔支柱的金刚石底板。再将钼粉填充至底板的微空腔支柱内和支柱间隙且填充钼粉与底板外沿高度一致，以CVD技术方式继续生长金刚石，之后对底板进行封装使其具有一定的厚度。最终通过超声酸洗去除钼粉，获得一体化金刚石微空腔支柱阵列强化池热沉。

优选地，所述研磨抛光双面金刚石自支撑板的厚度为1-3mm，宽为4-6mm，长为9-11mm，经研磨抛光后的金刚石板的表面粗糙度为3-5nm。

优选地，所述甩胶的厚度为1-3μm；所述曝光时间为1-3s；所述显影时间为1-2min；所述ICP刻蚀使用的气体为CF

优选地，所述表面带有微空腔支柱的金刚石底板厚度为1.5-2.2mm；所述空腔支柱高(h)为30-50μm，空腔支柱的内径(d)为5-15μm，外径(D)为20-30μm，支柱节距(P)为80-120μm；所述金刚石底板外沿高度(H)为100-150μm，外沿宽

与现有技术CN 113161307A相比，本申请得到的所述一体化金刚石微空腔柱热沉的HTC值和CHF值较高，其HTC比现有技术提升300-350％，CHF比现有技术提升150-220％。

所述的一体化金刚石微空腔支柱阵列强化池热沉的制备方法，包括以下步骤：

S1、自支撑金刚石板的制备

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，为了使金刚石薄膜均匀，在沉积过程中反复多次通过增多高能碳原子基团浓度，实现二次形核，每次形核时间30min，随后辅以氢/氩等离子体刻蚀结碳阳极5min；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，获得金刚石厚膜沉积态厚度3-5mm；

所述沉积系统，衬底与阳极间距离为15-20mm，设置沉积温度为800-900℃，Ar流量为3-6slm，H

S2、自支撑金刚石板的研磨抛光

为满足后续金刚石板表面的微结构，必须保证各金刚石板表面平整度；需要利用研磨抛光机对步骤S1的金刚石厚膜进行研磨抛光获得金刚石抛光膜，并使用台阶仪辅助检测其表面粗糙度，使其满足微空腔柱以及接触热阻最小的要求；研磨抛光后的金刚石板厚度为1.5-2.2mm，表面粗糙度为3-7nm；

S3、光刻胶的涂覆和显影

继步骤S2后在金刚石板表面以300-4000rpm旋转涂覆1-2μm光刻胶层(MicropositSPR 700)时间持续5-60s。在箱式炉中90-120℃中加热20-40min后，使用MLA150无掩模对准器曝光。然后在显影剂(Microposit CD26)中浸泡去除曝光部分的光刻胶，在90-120℃的箱式炉中烘烤20-40min；

S4、ICP刻蚀凹型空腔

为获得符合结构尺寸的金刚石板，需要利用IPC刻蚀步骤S3的金刚石抛光膜，刻蚀过程中所需气体为CF

优选地，所述CF

S5、激光切割构建强化池微空腔柱阵列

先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的工艺参数，同时对步骤S4的金刚石底板表面精细加工，获得金刚石微空腔支柱阵列结构；其中：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；同时由于微空腔支柱阵列尺寸限制了激光的偏转角度范围，为实现所需支柱阵列，之后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；最终获得金刚石微空腔支柱阵列底板；

优选地，所述激光切割次数10-15次；聚焦深度20-30μm；切割速度100-120mm/min；光束汇聚角度73-77°；光斑直径为30-80μm。

S6、再次直流电弧等离子体CVD生长金刚石封盖

利用钼粉熔点高、热膨胀系数小等特点，对步骤S5制备的金刚石微空腔支柱阵列底板进行填充钼粉，先对金刚石底板外边缘进行固定，并对齐金刚石底板外边沿，防止再次生长金刚石时破坏液体进出通道，然后将钼粉填至外沿高度。最后再开始生长金刚石封装盖。金刚石封装盖的作用为实现液体的封装。

S7、超声酸洗去除钼粉

为获取所需的一体化金刚石微空腔支柱热沉器件，利用金属钼易酸洗的特点。利用盐酸和硫酸浸泡，或者浓硫酸与硝酸的混合酸浸泡，最后再用丙酮、酒精、去离子水进行超声清洗。最终获得一体化金刚石微空腔支柱热沉器件。

与现有技术相比，本发明提供的一体化金刚石微空腔支柱阵列强化池热沉通过改善表面微结构可以在一定程度上大幅提升强化池沸腾HTC以及CHF。一体化金刚石微空腔支柱阵列强化池热沉的微空腔设计用于诱导蒸汽捕获和气泡成核以增强HTC，而微管阵列的侧壁作为微柱阵列提供CHF增强。此外，所设计的微空腔支柱阵列使蒸汽和液体路径在气泡产生和离开周期中有效分离，其中气泡在微管顶部成核，而液体通过微管侧壁重新润湿表面，带走热量。

本发明提供的一体化金刚石微空腔支柱阵列强化池热沉具有高成核位点密度，微空腔的成核位点增强HTC；气泡聚结被最小化且促进气泡加速聚结增强CHF。对比于中国专利CN113161307A没有空腔支柱结构的表面，纳米气泡会在水平方向上聚集，并进一步形成早期蒸汽层，从而降低传热。一体化金刚石微空腔支柱热沉增强了初始扰动，并延迟了蒸汽层的形成。

总之，本发明提供的一体化金刚石微空腔支柱阵列强化池热沉，能够有效进行沸腾能量传递，在能量应用中具有巨大的效用。同时克服了长久以来的通过金刚石微通道提高散热的技术偏见，避免了现有技术中诸多降低散热效率的技术缺陷，进一步提高了HTC和CHF，利于工业大规模推广和使用。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为金刚石强化池热沉底板俯视示意图；

图2为金刚石强化池热沉底板表面构建示意图；

图3为钼粉填充金刚石强化池热沉底板表面示意图；

图4为直流电弧等离子CVD再次生长封装盖示意图；

图5为一体化金刚石微空腔支柱热沉示意图；

图6为微支柱空腔俯视SEM图；

图7为微支柱空腔截面SEM图；

图8为一体化金刚石微空腔支柱热沉的拉曼光谱图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案和解决的技术问题进行阐述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。

实施例1

1)金刚石厚膜的制备

使用直流等离子体喷射化学气相沉积装置在直径100mm石墨衬底上生长金刚石厚膜；具体工艺参数为：

先用粒径0.5μm的金刚石研磨膏研磨衬底5min，丙酮冲洗2次，随后烘干放入化学气相沉积系统中；

沉积工艺设置为：CH

形核时间为10min，形核时间过后关闭CH

然后再将CH

2)金刚石厚膜的研磨抛光

使用研磨抛光机对步骤1)中均匀致密金刚石厚膜的表面研磨抛光，研磨抛光后厚度为2.2mm，表面粗糙度为3nm，获得金刚石抛光膜；具体工艺参数为：

采用80#金刚石砂轮盘以30rmp/s速度粗抛，随后更换160#金刚石砂轮盘以25rmp/s速度精抛，滴粉及滴水频率5s/次；

3)光刻胶的涂覆和显影

继步骤2)后在金刚石板表面转涂覆1μm光刻胶层(Microposit SPR 700)，先以500rpm持续5s，再3500rpm持续60s。在箱式炉中95℃中加热25min后，使用MLA150无掩模对准器曝光持续2s。然后在显影剂(Microposit CD26)中浸泡2min去除曝光部分的光刻胶，在100℃的箱式炉中烘烤30min；

4)ICP刻蚀凹型空腔

为获得符合结构尺寸的金刚石板，需要利用IPC刻蚀步骤3)的金刚石抛光膜，刻蚀过程中所用CF

5)激光切割构建强化池微空腔柱阵列

先使用乙醇与去离子水1:1混合溶液没过金刚石板上表面-50μm，液体流速100mL/s以形成流动的液膜，激光切割时带走在金刚石表面产生的烧灼物，获得所需的金刚石底板；将金刚石带有凹坑的底板上用激光切割出尺寸5mm×10mm的金刚石微空腔支柱阵列底板，其中底板外沿高H为120μm，宽

6)再次直流电弧等离子体CVD生长金刚石封盖

对步骤5)制备的金刚石微空腔支柱阵列底板进行填充钼粉，先金刚石底板外边缘进行固定，并对齐金刚石底板外边沿，防止再次生长金刚石时破坏液体进出通道，然后将钼粉填至外沿高度，钼粉颗粒直径小于微支柱内径，其颗粒直径＜3μm，图3为钼粉填充金刚石强化池热沉底板表面示意图。最后再开始生长金刚石封装盖，封装盖厚度为1.1mm；金刚石封盖工艺参数同步骤1)；图4为直流电弧等离子CVD再次生长封装盖示意图；

7)超声酸洗去除钼粉

使用浓硫酸与硝酸的混合(2vol-％:3vol-％)酸浸泡，最后再丙酮、酒精、去离子水(过量)进行超声清洗。最终获得一体化金刚石微空腔支柱热沉器件。图5为一体化金刚石微空腔支柱热沉示意图。

图6为微支柱空腔俯视SEM图，图7为微支柱空腔截面SEM图。可以看出在金刚石底板表面形成了微支柱空腔。图8为一体化金刚石微空腔支柱热沉的拉曼光谱图，其1332cm

对实施例1得到的一体化金刚石微空腔支柱热沉结构进行换热效果测试，与现有技术CN 113161307 A相比，HTC约高出300％，CHF约高出170％。

实施例2

1)金刚石厚膜的制备

使用直流等离子体喷射化学气相沉积装置在直径100mm石墨衬底上生长金刚石厚膜；具体工艺参数为：

先用粒径0.5μm的金刚石研磨膏研磨衬底5min，丙酮冲洗2次，随后烘干放入化学气相沉积系统中；

沉积工艺设置为：CH

形核时间为10min，形核时间过后关闭CH

然后再将CH

2)金刚石厚膜的研磨抛光

使用研磨抛光机对步骤1)中均匀致密金刚石厚膜的表面研磨抛光，研磨抛光后厚度为2mm，表面粗糙度为3nm，获得金刚石抛光膜；具体工艺参数为：

采用80#金刚石砂轮盘以30rmp/s速度粗抛，随后更换160#金刚石砂轮盘以25rmp/s速度精抛，滴粉及滴水频率5s/次；

3)光刻胶的涂覆和显影

继步骤2)后在金刚石板表面转涂覆1μm光刻胶层(Microposit SPR 700)，先以300rpm持续5s，再4000rpm持续30s。在箱式炉中90℃中加热30min后，使用MLA150无掩模对准器曝光持续2s。然后在显影剂(Microposit CD26)中浸泡2min去除曝光部分的光刻胶，在100℃的箱式炉中烘烤30min；

4)ICP刻蚀凹型空腔

为获得符合结构尺寸的金刚石板，需要利用IPC刻蚀步骤3)的金刚石抛光膜，刻蚀过程中所用CF

5)激光切割构建强化池微空腔柱阵列

先使用乙醇与去离子水1:1混合溶液没过金刚石板上表面-50μm，液体流速100mL/s以形成流动的液膜，激光切割时带走在金刚石表面产生的烧灼物，获得所需的金刚石底板；将金刚石带有凹坑的底板上用激光切割出尺寸5mm×10mm的金刚石微空腔支柱阵列底板，其中底板外沿高H为120μm，宽

6)再次直流电弧等离子体CVD生长金刚石封盖

对步骤5)制备的金刚石微空腔支柱阵列底板进行填充钼粉，先金刚石底板外边缘进行固定，并对齐金刚石底板外边沿，防止再次生长金刚石时破坏液体进出通道，然后将钼粉填至外沿高度，钼粉颗粒直径小于微支柱内径，其颗粒直径＜3μm。最后再开始生长金刚石封装盖，封装盖厚度为1.1mm；金刚石封盖工艺参数同步骤1)；

7)超声酸洗去除钼粉

使用盐酸与硫酸的混合(5vol-％:2vol-％)酸浸泡，最后再丙酮、酒精、去离子水(过量)进行超声清洗。最终获得一体化金刚石微空腔支柱热沉器件。

对实施例2得到的一体化金刚石微空腔支柱热沉结构进行换热效果测试，与现有技术CN 113161307 A相比，HTC约高出330％，CHF约高出190％。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。