金刚石组件的制作方法

本发明涉及由结合到基底上的金刚石制造的金刚石组件、用于制造这种组件的方法以及用于制造这种组件的设备。

背景技术：

1、金刚石以其广泛而极端的性质而闻名。例如，其出色的热导率使其适合在热应用中用作散热器。通过用硼掺杂金刚石，它可以被制成电导体。另一方面，未掺杂的金刚石是一种电介质，并且可以潜在地在电容器应用中使用。许多这些类型的金刚石应用需要将其结合到基底，例如金属基底，以允许进行电连接。

2、为了更详细地讨论硼掺杂的金刚石(bdd)，这种材料由于其化学惰性和宽电势窗而在氧化物种的电化学生成中是有用的。固体和涂覆的bdd电极在电化学系统中的使用已在例如ep0659691和us5399247中描述。这些专利描述了导电金刚石电极在电化学电池中的使用。

3、多晶金刚石通常使用化学气相沉积(cvd)过程制造。金刚石的cvd制造需要相当大的资本支出和与被涂覆面积成比例的电力消耗。因此，与较薄的层相比，较厚的层生产成本成比例地更高。因此，在商业上可行的过程中，确保后生长程序(诸如将金刚石结合到基底)不会损坏金刚石是至关重要的。对于电化学电池应用，要求成本有效的bdd电极电化学电池最大化bdd相对于其体积的工作表面积。

4、cvd金刚石可以直接生长在难熔金属基底上，但是在生长期间，由于金刚石与金属基底的热膨胀系数失配，应力可能会累积。这些应力可能会导致金刚石在生长过程期间分层，这破坏了生长进程并浪费了已经生长的材料。这可以通过限制金刚石层厚度、更慢地生长或以更低的功率密度来在一定程度上减轻，但是随后该过程变得商业上不那么有吸引力。此外，基底通常相对较厚(mm量级)，这导致用于bdd电极的基底的显著的成本。

5、因此，需要将大面积多晶金刚石结合到大接触基底。然而，结合区的面积越大，空隙和可能会降低电极性能的其他缺陷的可能性就越大。空隙可能是由结合材料的不均匀施加、结合材料的不良粘合剂流动以及金刚石与基底之间的平整度失配造成的。当使用诸如粘性导电环氧树脂糊剂等结合材料时，这是有问题的。

6、多晶金刚石与基底之间的结合层中的空隙可能会导致金刚石开裂和从基底分层。此外，金刚石与基底之间的空隙可能降低组合的金刚石/基底在用作电极时可以保持的功率密度。

7、此外，背衬基底和金刚石晶片横跨其最大面积可能具有某种程度的弯曲，这也可能是不良结合和空隙的来源。面积越大，弯曲导致金刚石与基底之间不良结合的可能性就越大。

8、在电极应用中，已知通过使用没有基底的独立式bdd来解决这些问题中的一些，因为它们不容易由于bdd层的分层或侵蚀以及基底的氧化而失效。然而，尽管独立式bdd电极适用于阳极与阴极之间的双极性电极。本文中使用的术语“双极性电极”是指当放置在施加了电势的阳极与阴极之间时将既充当阳极又充当阴极的电极。因此，双极性电极具有与电解质接触的两个主要工作表面。此外，双极性电极不需要单独的电连接，尽管例如可以提供一个或多个单独的电连接用于监测目的。然而，阳极和阴极仍然需要单独的电连接，并且实现这一点最方便的方式是将金刚石电极附连到导电基底。

9、对于非电极应用，应该注意的是，非导电金刚石可以结合到基底，例如在诸如散热器的用途中。在金刚石与基底之间没有直接热接触的情况下，空隙也具有有害的影响，并且引起由金刚石与基底之间的热失配导致的应力问题。

技术实现思路

1、一个目的是提供一种改进的金刚石组件，其允许更大面积的金刚石结合到基底，具有低热障电阻和低电阻率，同时在结合层中保持可接受量的空隙和微粒杂质。

2、根据第一方面，提供了一种结合的金刚石组件，其包括最大线性尺寸在25mm与200mm之间的多晶金刚石晶片、基底和结合层，结合层位于金刚石与基底之间并将它们结合在一起。当使用运用50μm的分辨率、为检查结合层而选择的焦距以及100mhz和30mhz的频率的超声波做检查时，结合层包括以下任意项：

3、不存在包括多于100个最大线性尺寸小于100μm、横跨结合层的厚度延伸的空隙的10mm×10mm的区域；

4、不存在包括多于5个最大线性尺寸在100μm与1mm之间、横跨结合层的厚度延伸的空隙的10mm×10mm的区域；

5、不存在包括多于1个最大线性尺寸大于5mm、横跨结合层的厚度延伸的空隙的10mm×10mm的区域；

6、不存在包括多于200个最大线性尺寸小于100μm的空隙的10mm×10mm的区域，其中所述空隙不横跨结合层的厚度延伸；

7、不存在包括多于10个最大线性尺寸在100μm与2mm之间的空隙的10mm×10mm的区域，其中所述空隙不横跨结合层的厚度延伸；以及

8、不存在包括多于2个最大线性尺寸大于2mm的空隙的10mm×10mm的区域，其中所述空隙不横跨结合层的厚度延伸。

9、作为一种选择，结合层包括以下任意项：

10、不存在包括多于50个、40个或10个最大线性尺寸小于100μm、横跨结合层的厚度延伸的空隙的10mm×10mm的区域；

11、不存在包括多于3个最大线性尺寸在100μm与1mm之间、横跨结合层的厚度延伸的空隙的10mm×10mm的区域；

12、不存在包括多于100个，50个或20个最大线性尺寸小于100μm的空隙的10mm×10mm的区域，其中所述空隙不横跨结合层的厚度延伸；

13、不存在包括多于5个最大线性尺寸在100μm与2mm之间的空隙的10mm×10mm的区域，其中所述空隙不横跨结合层的厚度延伸；以及

14、不存在包括多于1个最大线性尺寸大于2mm的空隙的10mm×10mm的区域，其中所述空隙不横跨结合层的厚度延伸。

15、结合的金刚石组件任选地能够保持选自200am-2至40,000am-2、1000am-2至30,000am-2、10,000至20,000am-2中任一者的电流密度。

16、当使用运用50μm的分辨率、为检查结合层而选择的焦距以及100mhz和30mhz的频率的超声波做检查时，结合层包括以下任意项：

17、不存在包括多于100个最大线性尺寸小于100μm的微粒杂质的10mm×10mm的区域；

18、不存在包括多于5个最大线性尺寸在100μm与1mm之间的微粒杂质的10mm×10mm的区域；以及

19、不存在包括多于1个最大线性尺寸在1mm与5mm之间的微粒杂质的10mm×10mm的区域。

20、作为一种选择，多晶金刚石晶片的表面具有选自不超过40μm、不超过30μm、不超过20μm和不超过10μm中任一者的平均平整度。

21、结合的金刚石组件任选地能够承受至少5巴的机械载荷而不使多晶金刚石晶片开裂。

22、作为一种选择，多晶晶片是导电的，基底是导电的，并且结合层是导电的。作为另一选择，多晶金刚石晶片包括硼掺杂的金刚石。作为另一选择，导电粘合剂层是导电环氧树脂。作为另一选择，导电环氧树脂由两部分式环氧树脂和预成型环氧树脂片中的任何一种形成。这种金刚石组件任选地被配置成在选自大于20℃、大于40℃和大于80℃中任一者的温度下使用。

23、多晶金刚石晶片任选地具有选自200μm至2mm、300μm至1.5mm和500μm至1mm中任一者的平均厚度。

24、结合层任选地具有选自10μm至250μm、15μm至150μm和20μm至100μm中任一者的平均厚度。

25、多晶金刚石晶片任选地具有选自至少40mm、至少44mm、至少50mm、至少75mm和至少100mm中任一者的最大线性尺寸。

26、作为一种选择，金刚石组件被配置成保持至少10,000am-2、至少15,000am-2、至少20,000am-2、至少25,000am-2和至少30,000am-2的电流密度。

27、基底任选地包括金属，例如钛、钨、铁、镍、钼及其合金中的任何一种。

28、金刚石组件任选地包括在多晶金刚石晶片的表面上位于多晶金刚石晶片的表面与结合层之间的金属化层。

29、根据第二方面，提供了一种如上文在第一方面中所描述的形成结合的金刚石组件的方法。该方法包括：

30、提供最大线性尺寸在25mm与200mm之间的多晶金刚石晶片；

31、提供基底；

32、经由设置在多晶金刚石晶片与基底之间的结合层来结合基底和多晶cvd金刚石晶片。

33、作为一种选择，结合层包括环氧树脂，并且经由结合层结合基底和多晶cvd金刚石晶片的步骤包括向金刚石组件施加高压和高温。

34、高压任选地选自20knm-2至3mnm-2的范围。高温任选地选自25℃至150℃。任选地施加高压和高温持续1小时与15小时之间。

35、作为一种选择，通过对多晶cvd金刚石晶片和基底中任意项施加热来实现高温。

36、该方法任选地还包括在80℃至200℃范围内的温度下和至少1小时的时间对金刚石组件施加进一步的热处理。

37、根据第三方面，提供了一种用于形成如上文在第一方面中所描述的金刚石组件的设备，该设备包括：

38、压力机，该压力机被配置成向金刚石组件的部件提供高压，该高压选自对最大线性尺寸在25mm与200mm之间的面积的20knm-2至3mnm-2的范围；

39、加热器，该加热器被配置成向金刚石组件的部件提供25℃至150℃范围内的高温；以及

40、包括定时器的控制器，该控制器被配置成控制压力和温度。

41、根据第四方面，提供了用于处理流体的电化学电池，该电化学电池包括：至少两个对置的电极，所述至少两个对置的电极在电极之间限定了用于流体的流动路径，其中电极中的至少一个电极由使用导电金刚石的上述金刚石组件形成；以及驱动电路，该驱动电路被配置成在电极上施加电势，使得当流体流过电极之间的流动路径时，电流在电极之间流动。

42、根据第四方面，提供了一种结合的金刚石组件，该结合的金刚石组件包括最大线性尺寸在25mm和200mm之间的多晶金刚石晶片、基底、位于金刚石与基底之间并将它们结合在一起的结合层，并且其中多晶金刚石晶片的与和结合层接触的第二表面相对的第一表面具有不大于40μm的平均平整度。作为一种选择，平均平整度可以选自不超过30μm、不超过20μm和不超过10μm中的任一者。

43、根据第五方面，提供了上文在第四方面中所描述的结合的金刚石组件，其中，当使用运用50μm的分辨率、为检查结合层而选择的焦距以及100mhz和30mhz的频率的超声波时，结合层包括以下任意项：

44、不存在包括多于100个最大线性尺寸小于100μm、横跨结合层的厚度延伸的空隙的10mm×10mm的区域；

45、不存在包括多于5个最大线性尺寸在100μm与1mm之间、横跨结合层的厚度延伸的空隙的10mm×10mm的区域；

46、不存在包括多于1个最大线性尺寸大于5mm、横跨结合层的厚度延伸的空隙的10mm×10mm的区域；

47、不存在包括多于200个最大线性尺寸小于100μm的空隙的10mm×10mm的区域，其中所述空隙不横跨结合层的厚度延伸；

48、不存在包括多于10个最大线性尺寸在100μm与2mm之间的空隙的10mm×10mm的区域，其中所述空隙不横跨结合层的厚度延伸；以及

49、不存在包括多于2个最大线性尺寸大于2mm的空隙的10mm×10mm的区域，其中所述空隙不横跨结合层的厚度延伸。