本发明属于高热流密度电子器件散热领域，特别是提供了一种用于超高热流密度散热的金刚石微通道热沉的制备方法，特点是沉积大面积金刚石超厚膜，并在表面通过激光精密加工构建流体微通道，将金刚石的高热导率和微通道液冷的散热设计结合，实现了器件高热流密度的排散，可用于相控阵雷达、卫星、大型航天器等空间载荷的高功耗电子器件的热排散。
背景技术：
随着电子器件功能和运算速度的不断提高，以及器件的小型化、集成化趋势的加速，电子器件运行时产生的热流密度急速攀升。器件发热问题严重影响其工作性能的可靠性，研究表明，器件温度在70-80℃水平每增加1℃，可靠性就会下降5％。目前研制中的大功率通信及导航卫星、定向高能武器以及宽禁带半导体雷达等先进设备，其核心电子器件单位热流密度已高达数百瓦甚至上千瓦。这些高热量必须及时散失，否则会影响设备的性能发挥和使用寿命。
微通道散热回路是一种排散高热流密度的良好热控技术，其核心部件为微槽道换热器具有高纵横比的特征，仅需很小的体积就能带走大量的热，而且能很好的满足温度均匀性要求，非常适合对散热量要求大和空间要求苛刻的场合。
当前常用的微通道材料多为金属材料(例如cu)和半导体材料(例如si)。硅材料的热导率随温度有较大的变化，27℃时热导率为153.5w/(m·k)，100℃时降为113.7w/(m·k)，排散高热流密度的能力不足，而且加工硅微通道结构，对设备要求高，焊接工艺复杂。铜微通道结构虽具有较高的热导率(398w/m·k)，但基于雕洗的机械加工方法存在加工剪应力，不能满足薄通道壁的加工要求，难以实现高的深宽比结构，因此热排散作用也不理想。金刚石是自然界中已知热导率最高的材料，同时其具有非常稳定的物理和化学惰性，以及极高的机械强度和电绝缘性，是制作微通道换热器的理想材料。然而，制作微槽道所需的cvd金刚石膜必须具备足够的厚度(通常在3mm以上)，这对于当前沉积金刚石膜所普遍采用的cvd技术来说极具挑战。此外，金刚石材料的特殊物理化学特性，也使得对其进行精确的微槽加工非常困难，唯有采用独特的激光雕刻工艺才能实现。
技术实现要素：
本发明要解决的问题是：根据当前对超高热流密度器件的热管理系统设计要求，提供一种获得超厚金刚石膜的工艺，并且基于超厚金刚石膜制备微通道热沉的方法，解决高功率电子器件的超高热流密度排散问题。金刚石热导率高达2000w/m.k，将其与高纵横比的微通道设计结合，可以取得极好的散热效果。首先采用直流电弧等离子体喷射cvd系统，通过分阶段调节工艺参数，促进多次再形核，实现大面积金刚石超厚膜的均匀致密沉积。采用机械研磨与抛光技术，基于金刚石粉的磨削作用去除金刚石膜表面的突起，实现金刚石厚膜的表面平整化；随后采用激光精密刻蚀金刚石表面，并调节激光束汇聚角度，形成具有特定截面形状的高深宽比微通道。
一种超高热流密度散热用金刚石微通道热沉的制备方法，其特征在于通过改进的直流喷射cvd工艺实现超厚金刚石膜的制备，之后在金刚石超厚膜表面激光雕刻微流通道，并用于泵驱传热流体回路，可以同时实现金刚石扩热与高效传热，实现极高热流密度的热排散，具体包括以下步骤：
步骤1：超厚cvd金刚石膜的制备；
1.1选用高温钼作为金刚石厚膜沉积衬底，并在钼衬底表面预先镀制复合过渡层，以减少沉积过程中热应力集中，同时提高脱膜成品率。
1.2将处理好的衬底放入高能活化等离子体腔室中制备金刚石超厚膜，设定初始沉积工艺后，每间隔50-100小时，将甲烷浓度在生长流量的基础上增加20-50sccm，短时间增多高能碳原子基团浓度，实现二次形核，10-25min后关闭甲烷，随后辅以氢/氩等离子体刻蚀5-10min，以去除形成的非金刚石相，再将甲烷浓度回调至生长浓度。总沉积时间为300～600h，获得厚度为4-6mm左右的金刚石厚膜。
步骤2：金刚石厚膜的研磨抛光；
为满足后续微通道热沉与热源面的焊接，并提高平整度和降低界面热阻，将所得金刚石厚膜利用研磨抛光机进行抛光，直到表面粗糙度达到0.5-3.2μm之间。鉴于金刚石厚膜抛光时间较长，研磨抛光采用粉料自动添加装置(专利zl201310150661.8)以节省人力并便捷操作。
步骤3：金刚石厚膜的结构成型；
为获得符合结构尺寸的金刚石热沉，需要利用高能激光束流切割金刚石膜。金刚石厚膜内应力较大，激光成型过程中易产生热应力集中导致金刚石厚膜在切割过程中随机性裂开。因此，在激光加工初期，采用低功率、低速率激光切割工艺。激光器选用yag激光发生器(金刚石专用)，激光波长1064nm。
步骤4：利用激光切割在金刚石膜表面构建微流通道；
同样，利用上述激光微束流在金刚石厚膜表面构建微流通道，通过精确控制激光光斑大小、聚焦深度、光束汇聚角度、切割次数以及切割速率等参数，获得高深宽比结构和良好的表面质量。为获得特定的微槽截面形状，需通过调节样品台x-y方向上的倾斜高度，或小范围调节激光光束的开口角度。
进一步地，所述超厚金刚石膜沉积态厚度大于等于4mm，加工完后微槽厚度大于等于3mm。
进一步地，采用预镀复合过渡层的高温钼材料为衬底，复合过渡层材质为ti、mo、si或w。采用改进工艺的直流喷射cvd方法制得的超厚金刚石膜。
进一步地，所述的改进工艺的直流喷射cvd方法，其特征在于：间歇性调整二次形核工艺，并且辅助h2/ar等离子体处理技术，实现二次再形核，抑制大的柱状晶异常生长，提高金刚石膜晶粒致密度，从而保证金刚石厚膜有效生长厚度达到4mm以上。
进一步地，所述的微槽道换热器，其特征在于：所述的微槽道换热器为全金刚石材质，微槽道厚度尺寸大于3mm。
进一步地，所述的微槽道换热器，其特征在于：采用金刚石专用激光切割机，实现金刚石的定型；通过调整激光x-y轴偏角，以及激光开口角度实现不同槽型的加工。
进一步地，所述的微槽换热器，其特征在于：通过机械研磨技术实现热接触面的粗糙度控制，使其满足焊接强度以及热阻最小的效果，所述粗糙度为0.5-3.2μm。
至此实现了在金刚石超厚膜上构建微流通道来极大改善高功率器件的散热能力，其能够满足超高热流密度电子设备的散热要求。
本发明实施过程的关键在于：
1.衬底材质和过渡层的设计对于获得无裂纹高强度的金刚石厚膜非常关键。本发明采用在高温钼衬底上镀制复合过渡层，将ti、w、mo、si等材质进行复合匹配，既实现了高厚度金刚石膜沉积过程中的良好应力过渡，同时对于降温过程中的收缩脱膜起到很好的应力释放作用。
2.生长过程中采用多次再形核技术，短时间上调甲烷流量，增多高能原子团浓度，提高金刚石再次形核密度，填补金刚石膜生长过程中由于柱状晶生长产生的孔隙缺陷，也能抑制大晶粒的横向生长，使得晶粒尺寸相对较小，实现高厚度金刚石膜致密均匀生长。同时，采用h2/ar等离子体处理技术，对二次形核过程中产生的非金刚石相进行刻蚀，从而保证cvd金刚石厚膜的最终质量。
3.微通道的截面形状不同，传热流体在通道中的流型，以及受到的拐角效应和流体之间的碰撞扰动均有不同，对系统的散热能力也有所差别。若要获得“v”形槽、“u”形槽或梯形槽，可通过以下几种切割调整方式实现：(1)沿切割线左右移动极小距离进行扫掠来改变切割后微槽的坡度和宽度，(2)切割过程中调整样品台x-y方向的倾角，(3)切割过程中随着切割深度的增加，减小激光光束的开口角度，调整范围为6-14°。
本发明的优点在于：
制备的金刚石膜厚度大、质量高，满足微槽加工的要求；金刚石微槽道换热能力强、便于结构布局、易于组织内部换热、安全可靠，是一种高可靠性的主动热控制技术,能取得很好的控温效果,尤其在大型航天器上更有着广阔的应用前景。
1.采用生长过程中多次再形核技术结合分阶段调整甲烷生长流量制备出4～6mm左右的金刚石超厚膜，是目前国内外已知的厚度最高的cvd金刚石膜，且厚膜均匀致密，表面质量和性能良好。
2.采用激光加工微通道，精选工艺后获得的微槽尺寸精度高，形状好，便于在系统中的结构布局。通过调整激光切割参数可以形成不同截面形状的微槽道，也能够获得高深宽比结构，增大了传热工质与微通道的接触面积。
3.金刚石自身的导热性能十分优异，高导热的金刚石超厚膜结合高纵横比微通道中传热流体的流动沸腾极大优化了传热性能，其换热能力高达1000w/cm2以上，远远高于其他散热材料，满足高功耗电子设备热排散的要求。
4.金刚石化学性质十分稳定，耐酸碱，耐腐蚀，因而金刚石微通道热沉可以使用的传热工质范围更加广泛。金刚石热膨胀系数小，性能安全可靠，长期使用不会发生明显变化。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明的技术方案做进一步说明：
经研磨和清洗的钼衬底使用直流等离子体喷射化学气相沉积装置进行金刚石超厚膜的生长，将衬底放置于沉积台上，待泵组将沉积腔室的真空度抽至0.1pa以下，通入h2和ar引燃电弧后，通入ch4气体，开始沉积金刚石膜。
实施例1
采用cvd法在高温钼衬底上生长金刚石超厚膜，在钼衬底上镀制复合过渡层，衬底尺寸为：直径100mm，厚度50mm。衬底处理参数：用粒径0.5μm的金刚石研磨膏研磨5min，丙酮冲洗2次。金刚石膜沉积参数：沉积温度为880℃，衬底与阳极距离为1cm，沉积压力为3.0kpa，冷却水温度≤25℃，ar流量为4.0slm，h2流量为7.8slm，ch4流量为110sccm，每生长100h，将ch4流量上调至130sccm，再形核10min，随后关闭ch4，保持h2/ar等离子体处理10min。然后再设置ch4流量至110sccm继续生长100h。直至沉积时间为450h，最终获得厚度4mm的金刚石厚膜。使用研磨抛光机对金刚石膜表面研磨抛光，抛光后厚度为3mm。抛光参数为：金刚石磨料粒度选择100#，研磨盘转速为80rmp，加载重量为400g。使用激光切割器在金刚石厚膜上切割出尺寸25mm×10mm的结构，激光器的切割参数为：功率为80w，样品进给速度为150mm/min，切割次数10次。激光程序设定为在切割线上扫掠一次后，向切割线左侧移动0.02mm后沿直线扫掠一次，接着向切割线右侧移动0.02mm后沿直线扫掠一次，多次循环后得到所需金刚石结构。进一步采用激光高能束流在金刚石表面构建微通道，微通道宽度0.2mm，深度1mm，切割参数：功率80w，样品进给速度为100mm/min，初始激光光束角度为14°。每循环一次将激光光束开口角度减小1°，程序循环8次后切割完毕，将样品酸洗以清除激光切割后表面留存的石墨以及其他杂质。最终获得金刚石微通道热沉结构，经测量，金刚石厚膜的热导率为1500w/mk。采用液氨作为冷却介质，基于金刚石微槽道蒸发器散热表面施加500w热量，维持下表面温度20℃，理论模拟上下表面温差仅为7℃，显示出良好的散热效果，可满足高功率电子器件散热要求。
实施例2
将带有复合过渡层的高温钼衬底采用粒径5μm的金刚石研磨膏研磨15min，采用丙酮冲洗2次。将处理好的衬底放入高能活化等离子体腔室中制备金刚石膜，阳极与衬底的距离为1.1cm，沉积温度为950℃，沉积压力为3.5kpa，冷却水温度≤25℃，ar流量为3.8slm，h2流量为7slm，ch4初始生长流量为120sccm，每生长100h后将ch4流量上调20sccm，再形核10min后关闭ch4，保持15min。然后回调ch4至生长流量。生长500h后，获得厚度为5mm的金刚石膜。将所得金刚石厚膜利用研磨抛光机进行研磨抛光，抛光后厚度为3.5mm。金刚石磨料粒度选择400#，研磨盘转速为50rmp，加载重量为800g。使用激光切割器在金刚石厚膜上切割出尺寸25mm×10mm的结构。激光器的切割参数为：功率为120w，样品进给速度为150mm/min，切割次数13次。构建金刚石微槽道的激光切割功率为120w，样品进给速度为80mm/min，微通道宽度0.2mm，深度1.2mm。采用酸洗来去除表面杂质和石墨。获得的“v”形截面金刚石微通道热沉结构，其热导率为1630w/mk。采用水介质作为传热工质，显示出良好的散热效果，可满足高功率电子器件散热要求。