[发明专利]一种超高热流密度散热用金刚石微通道热沉的制备方法

说明书

本发明涉及一种超高热流密度散热用金刚石微通道热沉的制备方法，属于半导体器件散热领域。通过特殊的衬底技术，以及改进的CVD制备工艺，实现高品质、无裂纹、超厚金刚石自支撑膜的制备；并根据热接触界面要求通过机械研磨抛光控制金刚石超厚膜的表面粗糙度；然后采用独特的激光加工工艺实现对金刚石超厚膜的结构尺寸定型，并利用激光微束流在表面进行微槽雕刻，获得尺寸及槽型合格的金刚石微槽道换热器，使其满足用于排散高热流密度换热器的设计要求。这种微通道热沉可用于相控阵雷达、卫星、大型航天器等空间载荷的高功耗电子器件的热排散。

技术领域

本发明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金刚石微通道热沉的制备方法，特点是沉积大面积金刚石超厚膜，并在表面通过激光精密加工构建流体微通道，将金刚石的高热导率和微通道液冷的散热设计结合，实现了器件高热流密度的排散，可用于相控阵雷达、卫星、大型航天器等空间载荷的高功耗电子器件的热排散。

背景技术

随着电子器件功能和运算速度的不断提高，以及器件的小型化、集成化趋势的加速，电子器件运行时产生的热流密度急速攀升。器件发热问题严重影响其工作性能的可靠性，研究表明，器件温度在70-80℃水平每增加1℃，可靠性就会下降5％。目前研制中的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先进设备，其核心电子器件单位热流密度已高达数百瓦甚至上千瓦。这些高热量必须及时散失，否则会影响设备的性能发挥和使用寿命。

微通道散热回路是一种排散高热流密度的良好热控技术，其核心部件为微槽道换热器具有高纵横比的特征，仅需很小的体积就能带走大量的热，而且能很好的满足温度均匀性要求，非常适合对散热量要求大和空间要求苛刻的场合。

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，27℃时热导率为153.5W/(m·K)，100℃时降为113.7W/(m·K)，排散高热流密度的能力不足，而且加工硅微通道结构，对设备要求高，焊接工艺复杂。铜微通道结构虽具有较高的热导率(398W/m·K)，但基于雕洗的机械加工方法存在加工剪应力，不能满足薄通道壁的加工要求，难以实现高的深宽比结构，因此热排散作用也不理想。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，是制作微通道换热器的理想材料。然而，制作微槽道所需的CVD金刚石膜必须具备足够的厚度(通常在3mm以上)，这对于当前沉积金刚石膜所普遍采用的CVD技术来说极具挑战。此外，金刚石材料的特殊物理化学特性，也使得对其进行精确的微槽加工非常困难，唯有采用独特的激光雕刻工艺才能实现。

发明内容

本发明要解决的问题是：根据当前对超高热流密度器件的热管理系统设计要求，提供一种获得超厚金刚石膜的工艺，并且基于超厚金刚石膜制备微通道热沉的方法，解决高功率电子器件的超高热流密度排散问题。金刚石热导率高达2000W/m.K，将其与高纵横比的微通道设计结合，可以取得极好的散热效果。首先采用直流电弧等离子体喷射CVD系统，通过分阶段调节工艺参数，促进多次再形核，实现大面积金刚石超厚膜的均匀致密沉积。采用机械研磨与抛光技术，基于金刚石粉的磨削作用去除金刚石膜表面的突起，实现金刚石厚膜的表面平整化；随后采用激光精密刻蚀金刚石表面，并调节激光束汇聚角度，形成具有特定截面形状的高深宽比微通道。

一种超高热流密度散热用金刚石微通道热沉的制备方法，其特征在于通过改进的直流喷射CVD工艺实现超厚金刚石膜的制备，之后在金刚石超厚膜表面激光雕刻微流通道，并用于泵驱传热流体回路，可以同时实现金刚石扩热与高效传热，实现极高热流密度的热排散，具体包括以下步骤：

步骤1：超厚CVD金刚石膜的制备；

1.1选用高温钼作为金刚石厚膜沉积衬底，并在钼衬底表面预先镀制复合过渡层，以减少沉积过程中热应力集中，同时提高脱膜成品率。