[發明專利]一種金剛石單晶散熱片的制備方法

有效

• 申請號: 201811312711.7
• 申請日: 2018-11-06
• 公開（公告）號: CN109280882B
• 公開（公告）日: 2020-06-02
• 發明（設計）人: 于盛旺;鄭可;高潔;黑鴻君;申艷艷;賀志勇;吳玉程;李飛
• 申請（專利權）人: 太原理工大學
• 主分類號: C23C14/02
• 分類號: C23C14/02;C23C14/18;C23C14/16;C23C14/58;C23C10/16;C25D5/12;C25D5/10;C23C28/02
• 代理公司: 太原倍智知識產權代理事務所(普通合伙) 14111
• 代理人: 駱洋

本發明為一種金剛石單晶散熱片的制備方法，解決了目前單晶金剛石化學惰性高、不易焊接等問題。該方法首先使用超聲波空蝕儀，以含有Fe³⁺的鹽溶液作為空泡產生介質，對金剛石單晶片表面進行空蝕處理；然后在表面制備一層強碳化物金屬內層，接著再制備一層耐氧化外層，最后將制備的金剛石單晶片在高溫下進行固溶處理即可。該方法利用空泡急速潰滅爆裂時產生的高速微射流，沖擊金剛石單晶表面局部剝落形成微小的孔洞；強碳化物金屬原子能夠與金剛石表面的部分碳原子反應形成化學鍵結合；Au與強碳化物金屬元素具有良好的固溶度和良好的耐氧化性能。因此，所制備的金剛石單晶散熱片不但涂層與基體具有高的結合強度，而且具有良好的耐氧化性能。

技術領域

本發明涉及金剛石散熱材料技術領域，特別是一種金剛石單晶散熱片的制備方法。

背景技術

金剛石具有室溫下最高的熱導率，約為2000W·m^-1·K^-1，是銅的5倍以上，硅的13倍。利用金剛石優異的散熱性能將其應用在大功率半導體激光器、集成電路、固體微波器件等散熱襯底材料，高密度集成電路的封裝材料，功率微波器件的電路基板等方面，能夠將器件工作產生的熱量迅速導出，降低溫度，提高工作功率和穩定性，具有極大的應用前景和產業價值。

但是金剛石本身化學惰性較高，與其它材料的浸潤性較差，因此應用時與其它材料的焊接較為困難。目前提高金剛石焊接接頭的方法有兩種：（1）采用與金剛石之間浸潤較好的活性焊劑，這種方法的缺點是活性焊劑的配比復雜，不容易掌握；其次是將金剛石單晶表面金屬化處理，然后再進行焊接的方式，利用金屬化表面改善金剛石與其它材料之間的浸潤性，滿足金剛石的焊接要求，但是目前人們大都使用物理氣相沉積（PVD）法對金剛石進行表面金屬化處理，金屬層與金剛石很難形成化學鍵結合，所以二者結合強度較差。此外，對于單晶金剛石，其表面一般光潔度較高，導致其與其它材料焊接時，界面結合強度較差。對于多晶金剛石而言，其表面粗糙度較高，進行焊接時，其粗糙表面在一定程度上能夠增加焊料與金剛石界面的結合強度，因而多晶金剛石焊接接頭的結合強度一般比單晶金剛石高。基于以上啟發，本發明提出通過增加單晶金剛石表面粗糙度加金屬化處理的方式提高單晶金剛石的焊接性能。

但是，金剛石材料硬度高，耐任何酸堿腐蝕，其表面粗化處理較為困難，目前常用的機械加工和電解加工不適用于單晶金剛石表面的粗化處理。空蝕是一種水力機械常見的破壞方式，在金屬或合金表面產生大量的微孔，造成機組破壞，甚至報廢。空蝕的原理為：超聲波作用于液體時，會在液體的某一區域形成局部的暫時負壓區，于是在液體中產生空化泡。這些充滿液體蒸汽或者是空氣的泡是處于不穩定狀態的，當它們在超聲波正半波受壓突然閉合時可產生射流或激波，因而在局部很微小的范圍內會產生瞬間的高溫高壓。據估算，其極限溫度可達5000K，壓強可達l00MPa。當靠近固體表面附近聚集的空化泡崩潰時會產生一種特殊的現象：非對稱式爆破。空化泡爆破時產生的沖擊波，速度可達數百米每秒，對固體表面形成高速沖擊作用，這種特殊的現象導致了聲致空蝕，從而在固體表面產生表面微坑。目前多采用各種手段增加水力機械材料的抗空蝕能力，鮮少有人將這種表面破壞進行應用。中國專利201410465600.5提出一種利用超聲波空蝕加工平板表面微坑的方法，利用超聲波空化致蝕效應在材料表面形成密度、直徑和深度可控的表面微坑，將其用于摩擦副零部件的儲油槽，提高摩擦副零部件的使用壽命。但是，他們提出的利用空蝕處理加工平板表面微坑主要的加工材料為金屬材料及其合金或鋼材等，未見有處理陶瓷和非金屬材料的情況。

此外，單晶金剛石在作為散熱器件進行應用時，一般溫度較高，而金剛石在空氣中的起始氧化溫度為550℃，在1000℃以上金剛石會發生石墨化，從而大大影響金剛石的使用效果。因此將單晶金剛石作為散熱器件進行應用時，提高金剛石的抗氧化性、防止金剛石在高溫下的石墨化轉化是提高散熱片的使用性能和使用壽命的關鍵因素。

發明內容

本發明的目的是為了解決目前單晶金剛石化學惰性高、不易焊接等問題，而提供一種金剛石單晶散熱片的制備方法。

本發明是通過如下技術方案實現的：