一种金刚石膜散热片及其制备方法与流程

本发明属于真空微电子技术领域，特别涉及一种金刚石膜散热片及其制备方法。

背景技术：

金刚石，由于具有十分优越的性能，因此在很多领域有着广泛的应用前景。金刚石在常温下具有最高的热导率(25℃下，金刚石2000w/m.k；铜380w/m.k；银410w/m.k)。因此金刚石是理想的散热材料。然而天然金刚石数量稀少，价格昂贵；用高温高压法(hthp法)制备的人造金刚石，由于含有金属催化剂，外形呈颗粒状，也影响到金刚石的性质和应用；用化学气相沉积(cvd)技术，在衬底材料表面可以生长出高质量的cvd金刚石，因为得到的金刚石以膜的形式，因此称为cvd金刚石膜。通常商用散热级cvd金刚石膜的热导率一般在1200-1850w/m.k之间。然而由于cvd金刚石膜生长速度通常只有1.0-3.0微米/小时，因此直接用cvd金刚石膜作为散热片，需要较厚的自支撑金刚石膜，这样往往需要厚度超过0.5mm的cvd金刚石膜，导致成本较高。为了降低成本，一般有两种方法，一种是将金刚石颗粒与其他材料压制成型；这种方法虽然有金刚石颗粒，但是金刚石颗粒之间有其他材料填充，这样会降低金刚石的导热能力，这种方法得到的散热材料的热导率一般不会超过300w/m.k；另外一种方法是将较薄的cvd金刚石膜(厚度小于0.3毫米)通过粘结的方式粘贴在其他支撑材料的表面，这种复合结构由于粘结剂的存在，也大幅度降低了金刚石的导热能力。

如果能直接在导热衬底材料上生长cvd金刚石膜，而且cvd金刚石膜与导热衬底材料之间有良好的热接触，这样得到的复合散热材料能解决上述两种方法中的不足。

目前用作cvd金刚石膜生长用的衬底材料主要有金属钨，金属钼，以及非金属材料硅。这些传统的衬底材料的相关物理特性如金属钼(熔点：2620℃；热导率：135w/(m.k))，金属钨(熔点：3390℃；热导率173w/(m.k))，或者单质硅(熔点：1410℃；热导率：150w/m·k)。从这些数据可以看出，常用来沉积cvd金刚石膜的材料的热导率不高。另外，用这些材料制备散热用cvd金刚石膜衬底的材料，存在以下两方面的问题：1)金刚石膜/衬底材料之间附着力不理想导致金刚石膜与衬底材料之间的热接触能力不强；2)衬底材料导热能力不足。

技术实现要素：

本发明为弥补现有技术中存在的不足，提供一种金刚石膜散热片及其制备方法，该方法能提高cvd金刚石膜生长时的形核密度，目的是增加金刚石膜与衬底材料之间的热接触点的密度，同时能提高膜-基附着力，所得到的金刚石膜散热片的导热能力高。

本发明为达到其目的，采用的技术方案如下：

本发明提供一种金刚石膜散热片，包括复合衬底材料基层，以及与所述基层表面连接的金刚石膜层；所述复合衬底材料基层包括均匀混合的金刚石颗粒、碳化硅颗粒及硅粉。

根据本发明的散热片，所述金刚石膜层为在所述复合衬底材料基层表面直接沉积生长的cvd金刚石膜。

根据本发明的散热片，所述复合衬底材料基层为均匀混合的金刚石颗粒、碳化硅颗粒及硅粉经烧结成形得到的层状成品。

根据本发明的散热片，所述复合衬底材料基层的直径以1.0-2.0英寸为主，厚度2.0-6.0毫米为优，因为衬底材料直径越大，压制所需要的设备越大，制备成本越高，性价比会降低；厚度如果低于2.0毫米，容易在生长金刚石膜的过程中在应力作用下发生形变，破坏衬底材料与生长设备基片台的散热接触，导致生长cvd金刚石膜的环境变差；如果衬底材料的厚度超过6.0毫米，衬底材料+cvd金刚石膜的整体导热性会降低明显，毕竟衬底材料的导热能力是远低于cvd金刚石膜的导热能力的。

根据本发明的散热片，所述复合衬底材料基层中硅粉的粒径为1.0-2.0微米；和/或，金刚石颗粒的粒径为2.0-4.0微米；和/或碳化硅颗粒的粒径为2.0-4.0微米。这里金刚石颗粒如果太大，那么在衬底材料表面的密度会降低，对提高cvd金刚石膜生长所需的形核点密度是不利的；如果金刚石颗粒很小，那么在进行等离子体放电烧结复合衬底材料时，金刚石颗粒表面会有石墨化现象发生，容易发生金刚石颗粒全部转化为石墨的可能。因此金刚石颗粒粒径选择2.0-4.0微米是比较理想的状况；碳化硅和金刚石颗粒保持相近的颗粒粒径，是为了方便二者能较均匀的混合；硅粉粒径选择1.0-2.0微米是因为硅在复合材料中承担降低制备成本，充当粘结剂的作用，硅粉必须要充分与金刚石和碳化硅颗粒进行混合接触，因此硅粉的颗粒粒径要略低于金刚石颗粒和碳化硅颗粒。在具体的实施方案中，所述复合衬底材料基层中硅粉的粒径为1.0微米，金刚石颗粒的粒径为2.0微米，碳化硅颗粒的粒径为2.0微米。

根据本发明的散热片，所述金刚石颗粒质量百分比一般控制在10-30％，比例过高，成本上升显著；碳化硅颗粒质量百分比一般控制在20-50％之间；剩余为硅粉。在具体的实施方案中，所述金刚石颗粒质量百分比为10％，碳化硅颗粒质量百分比为30％，硅粉质量百分比为60％。

本发明另一方面提供了一种金刚石膜散热片的制备方法，包括如下步骤：

1)将金刚石颗粒、碳化硅颗粒及硅粉混合均匀后采用放电等离子体sps法(sps：sparkplasmasintering)进行烧结成形，得到复合衬底材料基层；

2)采用化学气相沉积方法在所述复合衬底材料基层表面沉积金刚石膜层，得到散热片。

根据本发明的制备方法，所述步骤1)中在烧结成形之前，将混合均匀的金刚石颗粒、碳化硅颗粒及硅粉预压成型，并静压处理。

根据本发明的制备方法，所述静压处理为在200-250mpa下进行冷等静压，优选250mpa。

根据本发明的制备方法，所述烧结成形时，控制升温速率250-280℃/分钟，烧结压力为80-120mpa，烧结温度1260-1380℃，保温时间5-8min。在具体的实施方案中，控制升温速率260℃/分钟，烧结压力为100mpa，烧结温度1300℃，保温时间6min。

根据本发明的制备方法，所述步骤2)中在表面沉积之前，预先将所述复合衬底材料基层机械研磨平整，进一步地，采用金刚石研磨膏进行表面研磨，优选采用规格为w3.5的金刚石研磨膏，其中，w3.5为颗粒度的一种标准，相当于1400目，里面金刚石颗粒大小为3.0-3.5微米。

根据本发明的制备方法，所述步骤2)中采用微波等离子体cvd方法在所述复合衬底材料基层表面沉积生长金刚石膜层，所述生长包括形核阶段和生长阶段。

根据本发明的制备方法，所述形核阶段生长时：微波功率2200-3000w，h2流量100-1000sccm(sccm:标准立方厘米每分钟)；ch4流量为h2流量的3.0-8.0％；沉积气压：8.0-12.0kpa；沉积温度：650-760℃，沉积时间：30-60分钟。在具体的实施方案中，所述形核阶段生长时：微波功率2200w，h2：ch4＝200：7.0sccm(sccm:标准立方厘米每分钟)；沉积气压：8.5kpa；沉积温度：680℃，沉积时间：30分钟。

根据本发明的制备方法，所述生长阶段生长时：微波功率4000-4800w，h2流量100-1000sccm；ch4流量为h2流量的2.0-4.0％；沉积气压：12.0-16.5kpa；沉积温度：850-960℃，沉积时间：72-200小时。在具体的实施方案中，所述生长阶段生长时：微波功率4500w，h2：ch4＝200：3.5sccm；沉积气压：12.5kpa；沉积温度：870℃；沉积时间：100小时。

本发明提供的技术方案具有如下有益效果：

本发明衬底材料以硅粉为主，通过在硅粉中添加碳化硅颗粒和金刚石颗粒组成的衬底材料，以硅为主体材料，通过添加碳化硅颗粒和金刚石颗粒来提升衬底材料的整体导热能力(碳化硅，熔点：2700℃；导热系数是490w/m·k)；金刚石(熔点：高于3500℃，但是在真空环境中超过1400℃，会缓慢转化为石墨)，这种整体提升的导热能力，不仅可以提升表面沉积cvd金刚石膜后整个复合材料的散热性能，还能在生长cvd金刚石膜的过程中，良好的衬底材料的散热性可以使用更大功率的微波能量而能保持衬底温度在最佳的生长状态，而更大的微波功率输入，能激发更多的活性成分，从而对提高cvd金刚石膜生长速率和质量是有帮助的；同时，衬底材料中的金刚石颗粒能为cvd金刚石膜形核阶段提供形核核心，有利于提高cvd金刚石膜在衬底材料表面生长时的形核密度，这样生长出来的cvd金刚石膜与衬底之间的热接触点密度提升，对降低cvd金刚石膜与衬底材料之间的热阻是有帮助的。

为了能将这三种材料制成具有一定机械强度的衬底材料，充分发挥其导热率较高的优势，同时避免高温下金刚石表面的石墨化转变，需要用一种快速加热的方式进行烧结成型。在本发明中，通过放电等离子体烧结技术，将硅粉，碳化硅颗粒，金刚石颗粒三种成分烧结成形，然后通过表面的研磨平整化，最后得到理想的cvd金刚石膜生长用的衬底材料。

本发明提供的散热片一方面有cvd金刚石膜作为主要的散热材料，同时以衬底材料作为支撑，并且是直接生长而成，因此没有粘结剂。这样就可以充分利用到cvd金刚石的导热能力同时又能降低制备成本。

综上所述，本发明能提高cvd金刚石膜生长时的形核密度，提高膜-基之间的热接触点的密度，降低膜-基之间的热阻，所得到的金刚石膜基复合材料的导热能力高。

附图说明

图1为本发明实施例cvd金刚石膜/衬底材料组成的散热片的结构示意图。

图2为放电等离子体烧结衬底材料的工作原理图。

附图标记：1-cvd金刚石膜，2-金刚石颗粒，3-碳化硅颗粒，4-硅粉，5-石墨模具，6-模腔，7-冲头，8-直流脉冲电源。

具体实施方式

为了更好的理解本发明的技术方案，下面结合实施例进一步阐述本发明的内容，但本发明的内容并不仅仅局限于以下实施例。以下实施例中所用原料若未特别说明，均为通过商业渠道获得。

现有技术中，常用来沉积cvd金刚石膜的材料例如金属钨的热导率不高。另用这些材料制备散热用cvd金刚石膜衬底的材料，存在以下两方面的问题：1)金刚石膜/衬底材料之间由于形核密度不高，导致膜-基之间附着力不理想，热接触点密度低，膜-基之间热阻大；2)衬底材料导热能力不足，导致在cvd金刚石膜生长过程中等离子体密度不能太高，容易导致因衬底材料导热能力不足而使衬底材料表面温度过高，超过了cvd金刚石膜生长的理想温度范围，而生长过程中等离子体密度高对提高cvd金刚石膜生长速度和生长质量是至关重要的因素。对于问题一，金刚石膜/衬底材料之间附着力不理想的原因是cvd金刚石膜在这些材料表面生长初期的形核阶段，形核密度较低，导致cvd金刚石膜与衬底材料之间的附着点较少；同时，形核密度低会导致晶粒尺寸差异较大，cvd金刚石膜的缺陷密度较高等不利影响，会影响cvd金刚石膜的热导率性能；为了提高cvd金刚石膜的形核密度，往往在衬底材料表面利用金刚石微粉进行研磨，产生表面缺陷的同时将部分金刚石颗粒残留在衬底材料表面，这些残留的金刚石颗粒可以作为cvd金刚石膜生长的形核点。这种预处理虽然能提高cvd金刚石膜生长的形核点，但是作为形核点的核心：残留的金刚石颗粒是简单附着在衬底材料表面，与衬底材料的结合力很弱，因此这种预处理能提高形核密度，从而减小晶粒尺寸差异带来的缺陷密度增大的不利影响，但是却无法真正解决金刚石膜/衬底材料之间的附着力不理想的问题。对于问题二，衬底材料的导热性不好，一方面会影响到cvd金刚石膜生长过程中衬底材料的散热能力较低会限制cvd金刚石膜生长所需等离子体的功率密度的提高，而激发等离子体的功率密度的提高对cvd金刚石膜的生长速度的提高有很大的促进作用。因此较低散热能力的衬底材料会导致cvd金刚石膜生长速度只能处于较低的状态；另外，作为散热复合片的衬底材料自身的导热能力低，最终也会影响整体散热片的综合散热性能。为了解决上述问题，本发明实施例提供了一种金刚石膜和复合衬底材料基层组成的散热片，以及具体的制备方法。

本发明实施例中，硅粉由于是衬底材料的主体，同时起到粘结作用，还有填充空隙的作用，因此选择1.0-2.0微米粒径的硅粉是比较适宜的；碳化硅一方面可以提高硅的热导率，另外一方面可以减少cvd过程中硅吸收碳转化为碳化硅，从而消耗cvd金刚石膜生长环境中碳的浓度；金刚石颗粒一般添加量越大，复合衬底材料的导热能力提升，但是成本也会增加。

实施例1

复合衬底材料层的制备：重量百分比：硅粉(60％，颗粒大小1.0微米)：碳化硅颗粒(30％，颗粒大小2.0微米)：金刚石颗粒(10％，颗粒大小2.0微米)。将这三种材料机械混合均匀后，预压成型之后，在250mpa下进行冷等静压，经过这些预处理后，采用放电等离子体sps技术进行烧结成形。sps的工作原理结构图如图2所示，将静压后的复合衬底材料放入石墨模具中的模腔中，两端通过冲头施加压力，直流脉冲电源提供脉冲电流。在适当的烧结温度下烧结并保温，具体工艺参数为：控制升温速率260℃/分钟、烧结压力为100mpa，烧结温度1300℃，保温时间6min。

烧结成型后的衬底材料用机械研磨的方法进行两面平整化，然后用规格为w3.5的金刚石研磨膏进行表面研磨，最后得到用于cvd金刚石膜生长用的衬底材料。具体的几何尺寸为：直径40毫米，厚度4.0毫米。衬底材料进行热导率测试，为206w/m.k。

cvd金刚石膜生长，本实施例选择微波等离子体cvd方法进行cvd金刚石膜的生长，整个生长分成两个阶段：形核阶段和生长阶段。

形核阶段的工艺参数为：微波功率2200w，h2：ch4＝200：7.0sccm；沉积气压：8.5kpa；沉积温度：680℃；沉积时间：30分钟。

生长工艺的工艺参数为：微波功率4500w，h2：ch4＝200：3.5sccm；沉积气压：12.5kpa；沉积温度：870℃；沉积时间：100小时。

当完成形核阶段后，取出衬底材料进行显微分析，得到形核密度为：3.2*10⁹/cm²。生长周期结束后，取出衬底材料，检测出金刚石膜的厚度为340微米，推算出cvd金刚石膜的生长速度为3.4微米/小时。

将cvd金刚石膜生长面先用激光平整化切割，再用研磨的方法将cvd金刚石膜的厚度降低到250微米的厚度，得到散热片，然后对cvd金刚石膜(250微米厚)/复合衬底材料(4.0毫米厚)进行热导率测试，测试结果，散热片纵向热导率为353w/m.k。

对比例1

cvd金刚石膜生长用衬底材料为单晶硅片，具体的几何尺寸为：直径40毫米，厚度4.0毫米。表面预处理用规格为w3.5的金刚石研磨膏进行表面研磨。

cvd金刚石膜生长，本实例选择微波等离子体cvd方法进行cvd金刚石膜的生长，整个生长分成两个阶段：形核阶段和生长阶段。

形核阶段的工艺参数为：微波功率2000w，h2流量200sccm；ch4浓度7.0％；沉积气压：8.5kpa；沉积温度：680℃；沉积时间：30分钟。

生长工艺的工艺参数为：微波功率4000w，h2流量200sccm；ch4浓度3.5％；沉积气压：12.5kpa；沉积温度：870℃；沉积时间：100小时。

当完成形核阶段后，取出衬底材料进行显微分析，得到形核密度为：6.8*10⁸/cm²。生长周期结束后，取出衬底材料，检测出金刚石膜的厚度为291微米，推算出cvd金刚石膜的生长速度为2.9微米/小时。

由于cvd金刚石膜是多晶结构，生长表面呈多晶状态，不平整，不能直接用作散热材料衬底，因此必须要进行表面平整化加工：将cvd金刚石膜生长面先用激光平整化切割，再用研磨的方法将cvd金刚石膜的厚度降低到250微米的厚度，得到散热片，然后对cvd金刚石膜(250微米厚)/硅(4.0毫米厚)进行热导率测试，测试结果，散热片纵向热导率为261w/m.k。

对比例2

cvd金刚石膜生长用衬底材料为高纯钼片，具体的几何尺寸为：直径40毫米，厚度4.0毫米。表面预处理用规格为w3.5的金刚石研磨膏进行表面研磨。

cvd金刚石膜生长，本实例选择微波等离子体cvd方法进行cvd金刚石膜的生长，整个生长分成两个阶段：形核阶段和生长阶段。

形核阶段的工艺参数为：微波功率2100w，h2：ch4＝200：7.0sccm；沉积气压：8.5kpa；沉积温度：680℃；沉积时间：30分钟。

生长工艺的工艺参数为：微波功率4200w，h2：ch4＝200：3.5sccm；沉积气压：12.5kpa；沉积温度：870℃；沉积时间：100小时。

当完成形核阶段后，取出衬底材料进行显微分析，得到形核密度为：3.1*10⁸/cm²。生长周期结束后，取出衬底材料，检测出金刚石膜的厚度为312微米，推算出cvd金刚石膜的生长速度为3.1微米/小时。

将cvd金刚石膜生长面先用激光平整化切割，再用研磨的方法将cvd金刚石膜的厚度降低到250微米的厚度，得到散热片，然后对cvd金刚石膜(250微米厚)/钼(4.0毫米厚)进行热导率测试，测试结果，散热片纵向热导率为286w/m.k。

表1实施例和对比试验结果对比

通过实施例1与对比例1、2对比，可以发现，使用由硅粉，碳化硅颗粒和金刚石颗粒，利用放电等离子体烧结制备成的cvd金刚石膜生长用衬底材料，相比用传统的单晶硅和金属钼作为衬底材料，形核密度有显著的提升，沉积速率也有所提升，得到的复合散热片以硅粉+碳化硅颗粒+金刚石颗粒组成的复合材料上沉积cvd金刚石膜的散热能力有显著的提升。

显然，本发明的上述实施例仅仅是基于清楚地说明本发明所做的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

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