CN110957287A - 一种大功率散热器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种大功率散热器及其制备方法，通过在所述铝基板上生长所述氧化层，在所述氧化层上生长所述致密层，在所述致密层上生长所述绝缘层。并且，所述氧化层中包括多个用于增大所述散热器的体电阻值的纳米颗粒。本发明提供的大功率散热器及其制备方法，具有器件散热性能好、制备步骤简单的特点。
Description
技术领域
本发明涉及电子器件制备领域，特别是涉及一种大功率散热器及其制备方法。
背景技术
随着半导体技术的进步，半导体器件不断向高功率，集成化发展，电子元件的散热已成为保持器件整体性能稳定的技术难点，特别是在5G手机芯片、LED照明、汽车、航天等领域尤为突出。为保持电子元件的冷却，需使用散热片来吸收元件产生的热量并将其散发到周围环境之中。通常散热片主要由铝(或铜)制成，因为铝是金属电导体，所以必须在其与电子元件之间提供绝缘层以防止短路。为保证散热器对电子元件的散热效果，该绝缘层应尽可能的导热。因此，开展铝或铜表面导热绝缘涂层的制备技术及其导热绝缘机理的研究具有重要的理论意义和广阔的应用前景。我国芯片散热板的研制和生产始于20世纪80年代初。80年代初期，为满足军工急需，开发并投入批量生产芯片散热板，主要为金属基绝缘散热板，且成为当时我国芯片散热板生产的主力。金属基绝缘散热板尽管问世了几十年，但其应用仍停留在大功率器件、军工等领域中，且仅得到小规模的应用。我国半导体散热性能水平较为落后，与国外(美国、日本)同类产品相比差距较大。这种差距主要表现在绝缘导热层设计制备和陶瓷颗粒填充方面等诸多方面，使我国在半导体绝缘散热板、尤其是铝基绝缘散热板领域，在产品性能上与国外产品相比，还有一段不小的差距。
发明内容
本发明的目的是提供一种大功率散热器及其制备方法，具有器件散热性能好、制备步骤简单的特点。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种大功率散热器，包括：铝基板、氧化层、致密层和绝缘层；
所述氧化层生长在所述铝基板上；所述致密层生长在所述氧化层上；所述绝缘层生长在所述致密层上；
所述氧化层中包括多个纳米颗粒；所述纳米颗粒用于增大所述散热器的体电阻值。
可选的，所述氧化层的材料为三氧化二铝。
可选的，所述绝缘层为类金刚石镀膜。
可选的，所述致密层的材料和所述纳米颗粒的材料均为三氧化二铝和氮化铝的混合物。
一种大功率散热器的制备方法，所述制备方法制备得到上述的散热器；所述制备方法包括：
对铝基板进行氧化形成氧化层；所述氧化层为多孔结构；
对所述氧化层先进行气体离子源清洗后进行脉冲碳离子清洗；
通入氧气和氮气，在清洗后的氧化层的多个孔中沉积纳米颗粒的同时，在所述氧化层上沉积致密层；所述纳米颗粒和所述致密层均为三氧化二铝和氮化铝的混合物；
在所述致密层上沉积一层类金刚石镀膜，形成绝缘层。
可选的，所述方法还包括：
在所述绝缘层上沉积一层铜膜，形成金属铜层。
可选的，采用微弧氧化技术，对铝基板进行氧化形成氧化层；
采用磁过滤阴极弧沉积技术，在清洗后的氧化层的多个孔中沉积纳米颗粒的同时，在所述氧化层上沉积致密层。
可选的，采用阴极为Al、起弧电流为40-100A、离子束流为0.1-1A、氧气进气量为0-500sccm、氮气进气量为0-250sccm的磁过滤阴极弧沉积技术，在清洗后的氧化层的多个孔中沉积纳米颗粒的同时，在所述氧化层上沉积致密层。
可选的，所述氧气进气量的瞬态值和所述氮气进气量的瞬态值的比值不低于2：1。
可选的，所述氧化层的厚度不小于25微米。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明提供的大功率散热器及其制备方法，通过在铝基板上直接生长氧化层，并且所生长得到的氧化层中沉积有多个纳米颗粒，这就能够提高整个散热器件的体电阻率，进而使得所得到的散热器具有良好的导热性能。并且，只需要在铝基板上进行沉积，使得整个器件制备过程更加简单。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例所提供的大功率散热器的结构示意图；
图2为本发明实施例所提供的大功率散热器制备方法的流程图。
附图标记：101 铝基板，102 纳米颗粒，103 氧化层，104 致密层，105 绝缘层。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种大功率散热器及其制备方法，具有器件散热性能好、制备步骤简单的特点。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1为本发明实施例所提供的大功率散热器的结构示意图，如图1所示，一种大功率散热器，包括：铝基板101、氧化层103、致密层104和绝缘层105。
所述氧化层103生长在所述铝基板101上。所述致密层104生长在所述氧化层103上。所述绝缘层105生长在所述致密层104上。
所述氧化层103中包括多个纳米颗粒102。所述纳米颗粒102用于增大所述散热器的体电阻值。
所述氧化层103的材料为三氧化二铝。
所述绝缘层105为类金刚石镀膜(DLC)。
所述致密层104的材料和所述纳米颗粒102的材料均为三氧化二铝和氮化铝的混合物。
本发明还提供了一种大功率散热器的制备方法，用于制备得到上述的散热器。如图2所示，所述制备方法包括：
S201、对铝基板101进行氧化形成氧化层103。所述氧化层103为多孔结构。
具体包括：利用微弧氧化技术对铝基板101进行微弧氧化，氧化时功率为0-2KW，处理尺寸不小于800mm，处理40min，形成氧化铝的厚度不小于25微米。
S202、对所述氧化层103先进行气体离子源清洗后进行脉冲碳离子清洗。
具体包括：利用气体离子源对铝基板101表面进行表面清洗抛光。所述离子源为阳极层气体霍尔源，同时在进行表面气体离子源清洗过程中，进行加热处理，加热温度不低于4000℃。并且，离子源处理分为两个阶段进行。第一阶段0-600V，束流2-5A，处理30min，紧接着1200-1800V，束流0-1A，处理40min。
相比与传统的处理技术本发明使用的是阶梯式的表面清洗，先进行低压大电流清洗，快速去除氧化铝表面的疏松层，同时通过高能清洗能在氧化铝体内的孔洞更加清晰和明显，有助于后续绝缘纳米颗粒102的填充，大幅提高基体的体电阻率。
在铝基板101进行高功率脉冲碳离子清洗时，其束流直径为800mm。相比于传统的清洗技术，高功率脉冲碳离子清洗的峰值功率可为1MW，高功率峰值在清洗过程中方便实现热峰效应，能够在微观形成局部高温促进氧化铝的相转变，实现更高的体绝缘性能。同时，在离子的进一步轰击下以及碳的超小的半径可在多孔内容易实现碳的覆盖沉积，高功率脉冲形成的碳膜绝缘系数不小于1MΩ。
S203、通入氧气和氮气，在清洗后的氧化层103的多个孔中沉积纳米颗粒102的同时，在所述氧化层103上沉积致密层104。所述纳米颗粒102和所述致密层104均为三氧化二铝和氮化铝的混合物。
具体包括：基于磁过滤阴极弧沉积技术，阴极为Al，起弧电流40-100A，离子束流0.1-1A，氧气进气量为0-500sccm，氮气进气量为0-250sccm，氧气和氮气为随时间正弦变化，动态过程中氧气与氮气进气量瞬态值比不低于2：1。
相比于传统的固定氧气和氮气进气量比，本发明采用正弦进气，气量随时间变化，成膜时为梯度渐进无明显过渡层，膜层结合强度好、形成高韧性和高硬度的实时匹配循环纳米晶复合膜层。同时沉积过程中氧化铝和氮化铝纳米晶能方便填充至微弧氧化形成的氧化铝之中，大大降低了击穿的概率。
并且，因为微弧氧化形成的氧化铝为多孔氧化铝其体绝缘性能差，漏电流大。在本发明中微弧氧化形成的氧化铝的骨架支撑作用下，采用碳纳米颗粒102和氮化铝纳米颗粒102等物质进行填充，可以显著提高器件的体电阻。
S204、在所述致密层104上沉积一层类金刚石镀膜，形成绝缘层105。
具体包括：
阴极为C，起弧电流为40-100A，离子束流为0.1-0.5A，沉积膜层厚度在1-5微米。
相比于传统技术，采用磁过滤阴极弧沉积技术形成的绝缘层105的表面绝缘性能高，其最高表面电阻率可为107-109Ωm。
为了便于与其他电子元件连接，本发明所提供的制备方法，还可以在大功率散热器的绝缘层105上沉积一层铜膜，形成金属铜层。其具体形成过程为：
阴极为Cu，起弧电流为40-100A，离子束流为0.1-1.5A，沉积膜层厚度在1-25微米。
相比传统技术，本发明通过磁过滤阴极弧沉积技术能够实现超薄超致密的铜的沉积，在保证铜膜致密的前提下最薄可达到3微米。
其中，采用微弧氧化技术，对铝基板101进行氧化形成氧化层103。
相比于传统的物理气相沉积技术，微弧氧化技术为膜层向内生长技术，膜层与基体结合强度高，膜层容易生长。微弧氧化技术主要解决的体电阻问题，虽然其体内或表面孔洞较多，但为后续磁过滤沉积提供骨架，方便实现纳米颗粒102的填充。
本发明中磁过滤阴极弧沉积技术因其电离效率高，在成膜过程中非常容易实现纳米晶的形成，同时不存在金属颗粒绝缘性能好，这是其他技术如磁控、化学气相沉积、一般多弧技术所不能实现的。因此，在本发明中，采用阴极为Al、起弧电流为40-100A、离子束流为0.1-1A、氧气进气量为0-500sccm、氮气进气量为0-250sccm的磁过滤阴极弧沉积技术，在清洗后的氧化层103的多个孔中沉积纳米颗粒102的同时，在所述氧化层103上沉积致密层104。
在2500V测试下，整个器件的漏电流不大于10mA，散热功率不小于18W。
作为本发明的另一实施例，对所制备得到的大功率散热器的性能进行测试，具体如下：
一、对大功率散热器进行耐压测试
进行耐压测试的测试设备名称为击穿电压试验机，其型号为GJW-50KV。测试环境条件为：温度：22.0℃。湿度：50％RH。测试标准为：IPC-TM-6502.562。
测试条件为：升压速率为AC 200V/s。漏电流为10mA。具体得到的测试结果，如表1所示：
表1 大功率散热器作为测试器件的耐压测试结果
二、对大功率散热器进行导热系数测试
进行导热系数测试的测试设备名称为界面材料热阻及热传导系数量测装置，型号为LW938。环境条件为：温度24.1℃。湿度49％RH。测试标准为ASTM D5470-12。所选取的测试条件如表2所示：
表2 测试条件
| 测试样品 | 热极温度(℃) | 冷极温度(℃) | 热量(W) | 压力(Psi) |
| 1 | 79.99 | 67.55 | 78.22 | 79.95 |
| 2 | 80.00 | 65.80 | 73.60 | 79.95 |
所得到的测试结果如表3所示：
表3 大功率散热器作为测试器件的导热系数测试结果
| 测试样品 | 热阻(m<sup>2</sup>K/W) | 热阻(K/W) | 整板厚度(mm) | 整板导热系数 |
| 1 | 0.0000516 | 0.081 | 1.01 | 19.57 |
| 2 | 0.0000435 | 0.045 | 1.01 | 23.22 |
相较于现有技术，本发明所提供的技术方案具有以下优点：
1、本发明提出的制备方法，其绝缘结构为微弧氧化Al2O3，氧化物氮化物纳米颗粒填充物，氧化铝纳米膜以及超绝缘类金刚石涂层。绝缘结构既考虑了体电阻率也同时考虑了表面电阻率，其整体纵向导热效率超过18W。
2、相比现有的铝合金基体散热板，本发明中的纳米填充物在气体离子源、高功率脉冲的作用下填充的更加充实、饱满，其在2500V高压下漏电流不大于10mA。
3、相比于现有的表面沉积技术，本发明中基于磁过滤阴极弧沉积技术使得沉积得到的膜层表面的致密性更高，同时因为其引出时离化率为100％基本没有金属原子，沉积的膜层绝缘效果更好。并且，因为绝缘效果更好所以绝缘膜层可以做的更薄，导热性更强。
4、相比于现有的表面处理技术，本发明中的设备处理的尺寸更大，可大大增加沉积效率，降低生产成本。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (10)
1.一种大功率散热器，其特征在于，包括：铝基板、氧化层、致密层和绝缘层；
所述氧化层生长在所述铝基板上；所述致密层生长在所述氧化层上；所述绝缘层生长在所述致密层上；
所述氧化层中包括多个纳米颗粒；所述纳米颗粒用于增大所述散热器的体电阻值。
2.根据权利要求1所述的一种大功率散热器，其特征在于，所述氧化层的材料为三氧化二铝。
3.根据权利要求1所述的一种大功率散热器，其特征在于，所述绝缘层为类金刚石镀膜。
4.根据权利要求1所述的一种大功率散热器，其特征在于，所述致密层的材料和所述纳米颗粒的材料均为三氧化二铝和氮化铝的混合物。
5.一种大功率散热器的制备方法，其特征在于，所述制备方法制备得到如权利要求1-4任意一项所述的散热器；所述制备方法包括：
对铝基板进行氧化形成氧化层；所述氧化层为多孔结构；
对所述氧化层先进行气体离子源清洗后进行脉冲碳离子清洗；
通入氧气和氮气，在清洗后的氧化层的多个孔中沉积纳米颗粒的同时，在所述氧化层上沉积致密层；所述纳米颗粒和所述致密层均为三氧化二铝和氮化铝的混合物；
在所述致密层上沉积一层类金刚石镀膜，形成绝缘层。
6.根据权利要求5所述的一种大功率散热器的制备方法，其特征在于，所述方法还包括：
在所述绝缘层上沉积一层铜膜，形成金属铜层。
7.根据权利要求5所述的一种大功率散热器的制备方法，其特征在于，采用微弧氧化技术，对铝基板进行氧化形成氧化层；
采用磁过滤阴极弧沉积技术，在清洗后的氧化层的多个孔中沉积纳米颗粒的同时，在所述氧化层上沉积致密层。
8.根据权利要求5所述的一种大功率散热器的制备方法，其特征在于，采用阴极为Al、起弧电流为40-100A、离子束流为0.1-1A、氧气进气量为0-500sccm、氮气进气量为0-250sccm的磁过滤阴极弧沉积技术，在清洗后的氧化层的多个孔中沉积纳米颗粒的同时，在所述氧化层上沉积致密层。
9.根据权利要求8所述的一种大功率散热器的制备方法，其特征在于，所述氧气进气量的瞬态值和所述氮气进气量的瞬态值的比值不低于2：1。
10.根据权利要求5所述的一种大功率散热器的制备方法，其特征在于，所述氧化层的厚度不小于25微米。
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| CN114567967A (zh) * | 2020-11-27 | 2022-05-31 | 核工业西南物理研究院 | 一种高导热绝缘导热层的制备方法 |
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