CN110106466B - 一种超薄散热薄膜及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种超薄散热薄膜及其制备方法和应用。所述超薄散热薄膜,包括金属基底层和热辐射层,所述热辐射层由包含65‑100wt%的CuO的原料形成,所述热辐射层的厚度为0.03‑3μm。本发明还提供了该超薄散热薄膜采用特定溅射方式的制备方法及其应用。本发明制备的超薄散热薄膜材料不仅尺寸小,超薄,同时散热效果好,而且具有很好的附着力,安全可靠,无污染,加工方便,组装方便,可贴敷于手机、电脑、通讯设备及其它电子产品需要散热的部分。
Description
技术领域
本发明涉及散热器件技术领域,尤其涉及一种超薄散热薄膜及其制备方法和应用。
背景技术
随着微电子集成、高功率密度器件的集成、组装技术的飞速发展,对电子元件的可靠性要求、性能指标等进一步的提高,电子器件的高度集成化、大容量化的发热问题越来越严重的影响电路的安全使用。由于电子元器件发热而导致温度升高,引起精密控制电子器件精度下降或者不稳定。根据相关文献记载,电子设备的失效有55%是由于温度超过电子元件的规定值引起的,散热已成为电子行业面临的关键问题。
从现有技术来看,应用于散热器件通常以铜质或铝合金为当前散热技术的主流。热管技术是在有限的空间内实现热量迅速转移,进而增大散热面积,大幅提升被动散热效果的有效手段。但是这样的散热方式散热能力不够强劲,高端的电子产品还需要加风扇。大部分电子器件封闭在密封的壳体中,散热空间有限,无法采用辅助散热手段,因此需要研究封闭热源***的自排热降温方法,以保证产品可靠稳定的工作。
目前亟需提供一种超薄的同时散热效果优异的散热器件,以解决现有的电子器件因散热不好而导致产品使用寿命短的问题。
发明内容
针对现有技术中存在的缺陷和不足,本发明提供了一种超薄散热薄膜及其制备方法和应用。
本发明目的之一是提供一种(高发射率)超薄散热薄膜,包括金属基底层和热辐射层,所述热辐射层由包含65-100wt%的CuO的原料形成,所述热辐射层的厚度为0.03-3μm。本发明提供的超薄散热薄膜材料尺寸小,厚度薄,而且所采用的特定热辐射层散热性能优异,可以有效降低电子仪器中的温度,提高电子设备的可靠性,该高发射率超薄散热薄膜材料安全可靠、使用方便、贴装简单,可广泛地应用于手机、电脑、通讯设备及其它电子产品需要散热的部位。
根据本发明的一些优选实施方式,所述热辐射层由主体材料为复合氧化物的原料形成,所述的复合氧化物由CuO和掺杂过渡金属氧化物组成;所述掺杂过渡金属氧化物的质量含量为0-35%,优选为0.1-30%;更优选所述掺杂过渡金属氧化物中的过渡金属元素选自Mn、Fe、Co和Ni中的一种或多种。本发明特定成分的热辐射层是由反应溅射方式沉积得到的亚微米及微米级复合氧化物薄膜,该复合氧化物主要是由CuO及掺杂过渡金属氧化物构成,尤其是所选特定成分及其组合呈现出高的发射率,具有很好的散热效果。
根据本发明的一些优选实施方式,所述热辐射层由CuO和MnOx、FeOy、CoOm和NiOn中的一种或多种组成的复合氧化物形成,其中x为1、1.5和2中的至少一种,y为1和/或1.5,m为1和/或1.5,n为1和/或1.5。所述热辐射层是一种高发射率材料,辐射散热效果显著,本发明中所述热辐射层的发射率可高达0.98。本发明中所述热辐射层中氧化物主要利用过渡金属的+2和+3价。不同价态的混合氧化物会同时存在。
根据本发明的一些优选实施方式,还包括中间过渡层,所述中间过渡层位于所述金属基底层和所述热辐射层之间;优选所述中间过渡层为依次由金属相与氧化物相自所述金属基底层向所述表面热辐射层逐渐过渡形成;所述金属相为Cu和所述掺杂过渡金属元素形成的混合物;所述氧化物相为铜的氧化物和所述掺杂过渡金属的氧化物形成的混合物;更优选由所述金属相在所述金属基底层一侧形成中间过渡金属层;和/或,由所述氧化物相形成位于所述中间过渡金属层与所述热辐射层之间的中间过渡氧化物层。该薄膜材料由金属基底层、中间过渡层和表面热辐射层组成。采用特定的中间过渡层作为基底与热辐射层的中间匹配,可大幅提高基底和热辐射层的结合力,同时具有较高的导热性,提高散热效率。
根据本发明的一些优选实施方式,所述金属基底层的厚度为5-300μm;优选所述金属基底层为铜箔、铝箔、铜片或铝片。本发明中金属基底层可以是电解铜箔、铝箔或铜片,也可以是在现有电子产品等需要散热部位的金属表面,本发明中优选为电解铜箔、铝箔或铜片,具有良好的导热作用,并且该特定金属基底层与所述中间过渡层配合作用能有效提高该金属基底层和表面热辐射层的结合力,还具有安全可靠,无污染,加工方便,组装方便,可贴敷于手机、电脑、通讯设备及其它电子产品需要散热的部位。
根据本发明的一些优选实施方式,所述热辐射层与所述中间过渡层的厚度比为(500nm-2.5μm):(250nm-700nm);本发明采用特定厚度比的超薄散热薄膜材料具有优良的散热性能,电子元器件产生的热能够通过金属基底层和中间过渡层迅速地传导到表面热辐射层,依靠表面辐射层所具有的高发射率把热量散发到周围的环境空间,而且各层间具有很高的附着力。
根据本发明的一些优选实施方式,所述金属基底层为铜箔,厚度为30-70μm,所述中间过渡层为Cu、Mn、Fe、Co和Ni的一种或多种金属及其低价态氧化物组成,厚度为250nm-700nm;所述热辐射层由CuO和MnOx、FeOy、CoOm和NiOn中的一种或多种组成的复合氧化物,其中x为1、1.5和2中的至少一种,y为1和/或1.5,m为1和/或1.5,n为1和/或1.5,厚度为500nm至2.5μm。
实现本发明另一目的是提供一种所述的超薄散热薄膜的制备方法,在所述金属基底层上以反应溅射的方式沉积所述热辐射层;或在所述金属基底层上以反应溅射的方式沉积中间过渡层和所述热辐射层。目前对于氧化物混合的方式例如通过喷涂、固相烧结方式,这些方法制备的氧化物涂层较厚,一般在几十微米以上,不利于在容量较小电子元器件有限空间内使用。本发明通过磁控溅射方式制备的超薄薄膜厚度在亚微米到几微米的范围,使用方便。优选的,本发明中所述沉积的过程使用由铜和所述过渡金属组成的溅射靶材,以所述溅射靶材总重量计,所述铜的含量为70-100%,优选为70-98%,所述过渡金属的含量为0-30%,优选为2-30%。本发明通过磁控溅射共沉积过程形成的单相结构的超薄散热薄膜材料,CuO为主晶相,通过掺杂方法使CuO晶格畸变,如Cu合金反应溅射生成物的XRD见图3,峰位向左偏移,晶格常数增大。由于过渡金属的变价特性,通入氧气量和溅射时间不同生成的氧化物不同,元素的价态变化和不同元素的掺杂造成晶格畸变和晶体结构对称性降低,增强了晶格振动吸收,提高了材料的热辐射特性。通过这种工艺方式制备的超薄散热薄膜材料具有高热辐射的特性。因溅射成分、溅射时间和溅射功率等控制参数的不同,制备薄膜材料的膜厚不同,在1~22μm波段范围内材料的发射率高达0.88~0.98。
根据本发明的一些优选实施方式,包括:
步骤(1),通入氩气,控制Ar和O2的流量比为1:0,溅射时间为1~5min,在所述金属基底层上形成所述中间过渡金属层;
步骤(2),通入氩气和少量氧气,控制Ar和O2的流量比为1:0-0.25,溅射时间为10-20min,在所述中间过渡金属层上形成所述中间过渡金属氧化物层;
步骤(3),通入氩气和氧气,控制Ar和O2的流量比为1:0.25-1,溅射时间为20-60min,在所述中间过渡金属氧化物层上形成所述热辐射层。
根据大量实验研究,发明人意外发现:由于铜有多价态,反应溅射3min左右,生成物为Cu2O;反应溅射6min左右,生成物为Cu4O3;反应溅射8min以上,生成物为CuO,因此生成氧化铜层的反应溅射时间控制在10min以上,本发明中进一步根据氧气与氩气的比例和溅射功率的不同,反应生成物的控制时间略有不同。本发明通过控制时间和其他溅射条件,得到由特定价态复合过渡金属氧化物协同作用的热辐射层极大提高了所述热辐射层的辐射特性,同时具有优异的附着力。
实现本发明再一目的是提供根据所述超薄散热薄膜或所述制备方法得到的超薄散热薄膜在电子产品中作为散热材料的应用;所述电子产品优选为微电子元器件、手机、电脑、互联网通信设备、高低压电器、空调冷冻设备或风力发电器。
本发明的有益效果至少在于:本发明制备的超薄散热薄膜材料不仅尺寸小,超薄,同时散热效果好,而且具有很好的附着力,安全可靠,无污染,加工方便,组装方便,可贴敷于手机、电脑、通讯设备及其它电子产品需要散热的部分。
附图说明
图1为本发明实施例中超薄散热薄膜材料断面的SEM图。
图2为本发明实施例中超薄散热薄膜材料的构成示意图。
图3为本发明实施例中超薄散热薄膜各层的构成示意图。
图4为本发明实施例中的中间过渡层中金属和氧化物含量变化曲线示意图。
图5为本发明实施例中CuNi合金反应溅射的热辐射层XRD图。
附图标记:1、金属基体;2、中间过渡金属层;3、中间过渡金属氧化物层;4、热辐射层;5、中间过渡层。
具体实施方式
以下实施例进一步说明本发明的内容,但不应理解为对本发明的限制。在不背离本发明精神和实质的情况下,对本发明方法、步骤或条件所作的修改或替换,均属于本发明的范围。
若未特别指明,实施例中所用的技术手段为本领域技术人员所熟知的常规手段,实施例中,加入的各原料除特别说明外,均为市售常规原料。
本发明采用的设备为高真空多功能磁控溅射镀膜设备气体为高纯氩气和高纯氧气。本发明中发射率采用IR-2双波段发射率测量仪进行检测。
下述实施例的超薄散热薄膜材料的制备方法:在高真空多功能磁控溅射镀膜设备中放入溅射靶材(铜或铜合金,主要是铜和其它过渡金属构成)和金属基底层1。金属基底溅射前,分别在去离子水和无水乙醇中超声15min,烘干后放入镀膜设备基座上。溅射过程如下:
采用直流或工频电源,通入高纯氩气,溅射时间为1~5min,沉积膜(中间过渡金属层2)的厚度为50~200nm;
通入高纯氩气和少量氧气,Ar和O2的流量比为1:(0~0.25),溅射时间为10~20min,沉积膜(中间过渡金属氧化物层3)的厚度为200~500nm;
通入高纯氩气和氧气,Ar和O2的流量比为1:(0.25~1),溅射时间为20~60min,沉积膜(热辐射层4)的厚度为500nm~2.5μm。
通过以上三段式反应溅射方式将生成的金属、氧化物或复合氧化物薄膜沉积到金属基底上,形成超薄散热薄膜。图1至图3示出了制备得到的超薄散热薄膜中的金属基底层1、中间过渡层5和热辐射层4。图4为实施例中的中间过渡层中金属和氧化物含量变化曲线示意图。图5为实施例中CuNi合金反应溅射的热辐射层XRD图。
实施例1
本实施例中的金属基底为50μm厚度的电解铜箔,靶材为99.99%的铜靶。溅射功率为90W,工作气压为0.5Pa时,通入氩气溅射时间5min;接着通入少量氧气,溅射时间10min;最终稳定氩气和氧气比为4:1,溅射时间35min。总溅射时间为50min时,生成薄膜材料的厚度约1.6μm。
实施例2
本实施例中的金属基底为20μm厚度的电解铜片,靶材为Cu80Ni20的合金靶。当溅射功率为100W,工作气压为0.6Pa时,通入氩气溅射时间2min;接着通入少量氧气,溅射时间10min;最终稳定氩气和氧气比为4:1,溅射时间20min。总溅射时间为32min时,生成薄膜材料的厚度约1.1μm。
实施例3
本实施例中的金属基底为15μm厚度的电解铜箔,靶材为Cu90Mn10的合金靶。当溅射功率为100W,工作气压为0.6Pa时,通入氩气溅射时间5min;接着通入少量氧气,溅射时间10min;最终稳定氩气和氧气比为4:2,溅射时间30min。总溅射时间为45min时,生成薄膜材料的厚度约1.6μm。
实施例4
本实施例中的金属基底为70μm厚度的电解铜箔,靶材为Cu70Ni20Mn10的合金靶。当溅射功率为80W,工作气压为0.5Pa时,通入氩气溅射时间5min;接着通入少量氧气,溅射时间10min;最终稳定氩气和氧气比为4:2,溅射时间20min。总溅射时间为35min时,生成薄膜材料的厚度约0.9μm。
实施例5
本实施例中的金属基底为9μm厚度的电解铜箔,靶材为Cu70Ni15Fe15的合金靶。当溅射功率为90W,工作气压为0.5Pa时,通入氩气溅射时间5min;接着通入少量氧气,溅射时间20min;最终稳定氩气和氧气比为4:1,溅射时间60min。总溅射时间为85min时,生成薄膜材料的厚度约2.7μm。
实施例6
本实施例中的金属基底为6μm厚度的超薄铝箔,靶材为Cu80Ni10Co10的合金靶。当溅射功率为100W,工作气压为0.5Pa时,通入氩气溅射时间5min;接着通入少量氧气,溅射时间10min;最终稳定氩气和氧气比为4:1,溅射时间30min。总溅射时间为45min时,生成薄膜材料的厚度约1.5μm。
实施例7
本实施例中的金属基底为30μm厚度的电解铜箔,靶材为Cu80Ni5Co5Mn5Fe5的合金靶。当溅射功率为100W,工作气压为0.5Pa时,通入氩气溅射时间5min;接着通入少量氧气,溅射时间10min;最终稳定氩气和氧气比为4:2,溅射时间40min。总溅射时间为55min时,生成薄膜材料的厚度约2.0μm。
实验例1
对上述实施例1-7得到的薄膜材料1-22μm波段内发射率性能进行检测,以及用SEM断面的方式获得薄膜材料厚度,检测结果如下表1所示:
表1薄膜材料的检测结果
通过检测结果可以看出,本发明制备的超薄薄膜可达微米或亚微米级,而且发射率高。
以上所述仅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,在不脱离本发明技术原理的前提下,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。
Claims (4)
1.一种超薄散热薄膜的制备方法,其特征在于,所述超薄散热薄膜,包括金属基底层、热辐射层和中间过渡层,所述中间过渡层位于所述金属基底层和所述热辐射层之间;
所述中间过渡层为依次由金属相与氧化物相自所述金属基底层向所述热辐射层逐渐过渡形成;所述中间过渡层为Cu、Mn、Fe、Co和Ni的金属及其低价态氧化物组成,厚度为250nm-700nm;
所述热辐射层由CuO与选自MnOx、FeOy、CoOm和NiOn中的一种或多种组成的复合氧化物,其中x为1、1.5和2中的至少一种,y为1和/或1.5,m为1和/或1.5,n为1和/或1.5,厚度为500nm 至2.5µm;
所述金属基底层为铜箔;
在所述金属基底层上以反应溅射的方式沉积中间过渡层和所述热辐射层,所述沉积的过程使用由铜和过渡金属组成的溅射靶材,以所述溅射靶材总重量计,所述铜的含量为70-98%,所述过渡金属的含量为2-30%,所述超薄散热薄膜的制备包括以下步骤:
步骤(1),通入氩气,控制Ar和O2的流量比为1:0,溅射时间为1~5min,在所述金属基底层上形成所述中间过渡金属层;
步骤(2),通入氩气和少量氧气,控制Ar和O2的流量比为1:0-0.25,溅射时间为10-20min,在所述中间过渡金属层上形成所述中间过渡金属氧化物层;
步骤(3),通入氩气和氧气,控制Ar和O2的流量比为1:0.25-1,溅射时间为20-60min,在所述中间过渡金属氧化物层上形成所述热辐射层。
2.根据权利要求1所述超薄散热薄膜的制备方法,其特征在于,所述金属基底层的厚度为5-300μm。
3.根据权利要求1或2任一项所述超薄散热薄膜制备方法得到的超薄散热薄膜。
4.根据权利要求3所述超薄散热薄膜或权利要求1或2所述制备方法得到的超薄散热薄膜在电子产品中作为散热材料的应用。
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