[發明專利]嵌套式超高導熱金剛石膜/硅基復合材料及其制備方法

有效

• 申請號: 201711098589.3
• 申請日: 2017-11-09
• 公開（公告）號: CN107845616B
• 公開（公告）日: 2020-02-14
• 發明（設計）人: 車清論;張樹康;張建軍;梁森;郭峰;王進;呂濱江;徐洋;崔寧;鄭少梅
• 申請（專利權）人: 青島理工大學
• 主分類號: H01L23/367
• 分類號: H01L23/367;H01L23/373;H01L21/48
• 代理公司: 37221 濟南圣達知識產權代理有限公司
• 代理人: 趙敏玲

本發明公開了一種新型嵌套式超高導熱金剛石膜/硅基復合材料及其制備方法，借助金剛石導熱無方向性，以多尺度陣列通道提供厚度為支撐，在結構設計上實現生長毫米級厚度超高導熱金剛石薄膜；最終制備出具有高導熱率、低膨脹系數、好的絕緣性和高電阻率的超高導熱金剛石復合連通導熱骨架結構的散熱基板材料。

技術領域

本發明涉及一種高導熱基板散熱材料領域，特別是涉及一種新型嵌套式超高導熱金剛石膜/硅基復合材料及其制備方法。

背景技術

隨著電子及通訊技術的發展，高性能芯片和大規模集成電路的使用越來越廣泛。電子器件芯片的集成度、封裝密度以及工作頻率不斷提高，而體積卻逐漸縮小，這些都使芯片的熱流密度迅速升高。電子元件的溫度在正常工作溫度水平上降低1℃，其故障率可減少4％；若增加10～20℃，則故障率提高100％。造成電子元器件發生故障的主要原因就是散熱問題，由它導致的故障占總故障率的55％。這些大功率元器件和系統迫切需求新型導熱材料的出現，并對導熱材料提出更高的要求。這就要求基板和封裝材料具有越來越優異的性能，如高熱導率、低膨脹系數、低介電系數和熱穩定性。電子器件散熱技術越來越成為電子產品開發、研制中非常關鍵的技術，電子器件散熱性能的好壞直接影響到電子產品可靠性以及工作穩定性。為了滿足未來更高功率半導體、微電子器件等如微處理器、高功率射頻器件、激光二極管和光發射二極管的電子封裝問題，必須開展新型超高導熱率電子封裝基板材料體系。

散熱是制約微電子器件高度集成發展的關鍵因素，高性能熱排散基板材料的基本要求是超高的熱導率、低的熱膨脹系數和高的電阻率。金屬基(如銅、鋁、銀等金屬)/金剛石復合材料的熱導率介于300～900W/(m·K)，但是之間其熱膨脹系數均較高，一般大于5.8×10^-6/K，常用的Si和GaN半導體材料的熱膨脹系數分別為4.2×10^-6/K和2.1×10^-6/K。在使用過程中會產生很高的熱應力，這也限制了金剛石/金屬基復合材料的應用。為了降低或減少半導體材料因工作而產生大量的熱量、工作穩定性變差以及壽命變短等問題，開發與半導體材料相匹配的新型散熱基板材料已成為超高熱導率、低的熱膨脹系數以及絕緣性的基板材料的應用技術瓶頸。

金剛石是熱導率最高的材料，金剛石的熱導率可達2000～2200W/(m·K)，極高的導熱系數可以負擔電子器件內部高熱量傳遞和散失，其熱膨脹系數也只有0.8×10^-6/K，較低的熱膨脹系數易于電子器件的封裝，不易產生熱應力；金剛石的電阻率高，在高頻和大功率器件中不易發生膜擊穿，能保持器件的正常工作。但是直接采用金剛石作為散熱材料存在的問題：生長滿足于散熱薄膜厚度需要過長的時間；薄膜硬而脆，難以二次加工成所需散熱基板的形狀。因此，如何將金剛石超高熱導率的優點應用到熱管理中一直是人們關心的問題。

發明內容

本發明主要解決的技術問題是實現毫米級超高導熱金剛石膜的生長,提出一種嵌套式超高導熱金剛石膜/硅基復合材料及其制備方法；將金剛石與其它基體材料結合應用，所以，選擇一種低膨脹系數的基體材料例如金屬鉬、鎢、硅、釩等容易在金剛石表面形成碳膜的基體(它作為一種空間架構網絡結構，金剛石可以在網絡結構中定向生長)，并且能夠與金剛石很好的濕潤，是解決這一問題的關鍵。

為解決上述技術問題，本發明采用的技術方案是：

本發明采用的第一種方案是：一種嵌套式超高導熱金剛石膜/硅基復合材料，其特征在于，包括作為導熱骨架的硅基體，在所述的硅基體上加工多個通孔以形成陣列通道，在所述的硅基體的外表面和所述的陣列通道內表面覆蓋有金剛石膜。這種產品的金剛石膜覆蓋陣列通道內表面及其基體表面，其陣列通道還是一個通孔狀。

硅基體作為一種空間架構網絡結構，金剛石可以在網絡結構中定向生長。

進一步的，在同一個硅基體上加工多個相同尺寸的通孔。

進一步的，在同一個硅基體上加工多個不同尺寸的通孔。