一种三维空间网络多孔高效散热器及应用的制作方法

本发明公开了一种三维空间网络多孔高效散热器及应用，属于热管理设备技术领域。

背景技术：

随着复杂程度和功能以惊人的速度增加,微电子系统的功率在持续地增加,体积却不断减小。电子元件本身也是热源，处在整个设备温度的最高点,过高的温升往往是导致电子系统故障和失效的致命因素。为使电子系统(特别是敏感电路和元器件)能持续稳定地工作，对其进行有效可靠的散热显然十分重要因此，研究和开发高效率的电子散热材料和相关技术己刻不容缓。

金刚石是自然界中热导率最高的材料之一(室温可达2200W/mK)，同时其热膨胀系数和密度仅为0.8×10^-6/K和3.52g/cm³，将金刚石作为增强相与高导热金属复合，在保证拥有理想热膨胀系数和低密度的同时，可获得更为优异的导热性能。作为目前发现的最薄、强度最大、导电导热性能最强的一种新型纳米材料，石墨烯被称为“黑金”，是“新材料之王”，科学家甚至预言石墨烯将“彻底改变21世纪”。泡沫金属材料的具有较好的导热导电性，而且自身质轻、价廉，在散热材料开发方面具有更加优越的前途和市场。

将高导热材料与泡沫金属复合，这种新型复合材料具有密度小、强度大、耐高温、抗腐蚀、抗辐射、高导热、热膨胀系数小等优点。运用这种材料制作散热器，其导热率高，产品性能稳定，能有效提高电子设备的使用效率，延长电子设备的使用寿命。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术之不足，提供一种结构简单合理、导热性能好，于电子封装材料结合后可作为电子封装材料使用的三维空间网络多孔高效散热器及应用。本发明利用金属泡沫的网络互穿结构，通过在金属泡沫表面构建连续的金刚石三维网络，变高导热孤岛为高导热通道，极大的提高散器的散热效率。

本发明一种三维空间网络多孔高效散热器，所述散热器包括三维空间网络多孔散热体、外壳、热交换流体、驱动设备，所述三维空间网络多孔散热体安装在外壳中，热交换流体在驱动设备的强制驱动下，沿外壳上设置的流体通道进入外壳内腔并沿通道流出，热交换流体在外壳内腔流经三维空间网络多孔散热体，与散热体实现热交换，其特征在于，所述三维空间网络多孔散热体由泡沫金属骨架、高导热强化层组成，所述高导热强化层通过化学气相沉积方法均匀沉积在泡沫金属骨架表面，所述高导热强化层选自金刚石膜、石墨烯包覆金刚石、碳纳米管包覆金刚石、碳纳米管/石墨烯包覆金刚石中的一种。

本发明一种三维空间网络多孔高效散热器，热交换流体为空气或冷却液，驱动设备为风扇或循环泵。

本发明一种三维空间网络多孔高效散热器，风扇驱动空气与三维空间网络多孔散热体进行热交换构成开放式热交换系统；循环泵驱动冷却液与三维空间网络多孔散热体进行热交换构成封闭式热交换系统；封闭式热交换系统由循环泵，设于外壳上的流体通道，管道构成。

本发明一种三维空间网络多孔高效散热器，所述泡沫金属骨架选自泡沫镍、泡沫铜、泡沫钛、泡沫铬、泡沫镍铁中的一种。

本发明一种三维空间网络多孔高效散热器，所述泡沫金属骨架中，泡沫孔径为0.01～10mm，开孔率40％～99％，泡沫孔洞均匀分布或随机分布；泡沫骨架为平面结构或三维立体结构。

本发明一种三维空间网络多孔高效散热器，所述高导热强化层厚度为1nm～2mm。

本发明一种三维空间网络多孔高效散热器，三维空间网络多孔散热体采用以下方法制备：

将泡沫骨架衬底清洗、烘干后，采用化学气相沉积在泡沫骨架表面原位生长金刚石膜，得到表面均布金刚石膜的三维空间网络多孔散热体；沉积参数为：

沉积金刚石膜：

含碳气体占炉内全部气体质量流量百分比为0.5-10.0％；生长温度为600-1000℃，生长气压10³-10⁴Pa；

或

将泡沫骨架衬底清洗、烘干后，采用化学气相沉积在泡沫骨架表面原位生长石墨烯包覆金刚石、碳纳米管包覆金刚石、碳纳米管/石墨烯包覆金刚石，沉积过程中在泡沫骨架衬底上施加等离子辅助生长，并通过在衬底底部添加磁场把等离子体约束在泡沫骨架近表面，强化等离子对泡沫骨架表面的轰击，使石墨烯或/和垂直于泡沫骨架表面生长，形成石墨烯墙，得到表面均布石墨烯包覆金刚石、碳纳米管包覆金刚石或碳纳米管/石墨烯包覆金刚石的三维空间网络多孔散热体；沉积工艺为：

沉积石墨烯包覆金刚石：

首先，采用化学气相沉积技术在衬底表面沉积金刚石，沉积参数为：含碳气体占炉内全部气体质量流量百分比为0.5-10.0％；生长温度为600-1000℃，生长气压为10³-10⁴Pa；然后，再在金刚石表面沉积石墨烯墙，石墨烯垂直于金刚石表面生长，形成石墨烯墙，沉积参数为：含碳气体占炉内全部气体质量流量百分比为0.5-80％；生长温度为400-1200℃，生长气压为5-10⁵Pa；等离子电流密度为0-50mA/cm²；沉积区域中磁场强度为100高斯至30特斯拉；

沉积碳纳米管包覆金刚石：

首先，采用化学气相沉积技术在衬底表面沉积金刚石，沉积参数为：含碳气体占炉内全部气体质量流量百分比为0.5-10.0％；生长温度为600-1000℃，生长气压为10³-10⁴Pa；然后，在金刚石表面采用电镀、化学镀、蒸镀、磁控溅射、化学气相沉积、物理气相沉积中的一种方法在沉积表面沉积镍、铜、钴的一种或复合催化层；再沉积碳纳米管，沉积参数为：含碳气体占炉内全部气体质量流量百分比为5-50％；生长温度为400-1300℃，生长气压为10³-10⁵Pa；等离子电流密度为0-30mA/cm²；沉积区域中磁场强度为100高斯至30特斯拉；

沉积碳纳米管/石墨烯包覆金刚石：

首先，采用化学气相沉积技术在衬底表面沉积金刚石，沉积参数为：含碳气体占炉内全部气体质量流量百分比为0.5‐10.0％；生长温度为600‐1000℃，生长气压为10³‐10⁴Pa；然后，在金刚石表面沉积采用电镀、化学镀、蒸镀、磁控溅射、化学气相沉积、物理气相沉积中的一种方法在沉积表面沉积镍、铜、钴的一种或复合催化层；再沉积碳纳米管林、石墨烯墙；碳纳米管林沉积参数为：含碳气体占炉内全部气体质量流量百分比为5‐50％；生长温度为400‐1300℃，生长气压为10³‐10⁵Pa；等离子电流密度为0‐30mA/cm²；沉积区域中磁场强度为100高斯至30特斯拉；石墨烯墙沉积参数为：含碳气体占炉内全部气体质量流量百分比为0.5‐80％；生长温度为400‐1200℃，生长气压为5‐10⁵Pa；等离子电流密度为0‐50mA/cm²；沉积区域中磁场强度为100高斯至30特斯拉。

本发明一种三维空间网络多孔高效散热器，泡沫骨架衬底清洗、烘干后，先采用电镀、化学镀、蒸镀、磁控溅射、化学气相沉积、物理气相沉积中的一种方法在衬底表面沉积镍、铜、钨、钼、钛、银、铬中的一种或复合金属层，然后，置于纳米晶和微米晶金刚石混合颗粒的悬浊液中，于超声波中震荡、分散均匀，得到网孔表面吸附纳米晶和微米晶金刚石颗粒的泡沫骨架衬底；对泡面骨架衬底采用化学气相沉积在泡沫骨架表面或金刚石颗粒表面原位生长金刚石膜、石墨烯包覆金刚石、碳纳米管包覆金刚石、碳纳米管/石墨烯包覆金刚石，得到三维空间网络多孔散热体。

本发明一种三维空间网络多孔高效散热器的应用，是将三维空间网络多孔高效散热器外壳与电子封装材料连接，作为具备自散热功能的电子封装材料。

本专利选用易于制备且无缝连接的泡沫金属作为衬底，利用化学气相沉积技术在其表面制备高质量金刚石膜层，构建出金刚石三维网络骨架，通过该方法制得的三维空间网络多孔散热体可以完整地复制泡沫金属的结构，散热体上沉积的高导热材料以无缝连接的方式构成一个全连通的整体，具有优异的连续导热能力，使得散热器的热导率相比较传统散热器有极大提高，将会是一种很有潜力的新型散热器，可以广泛应用于在热管理、电子、能源、交通等国民经济领域。

说明书附图

附图1为本发明风扇驱动空气与三维空间网络多孔散热体进行热交换构成开放式热交换系统结构示意图。

附图2为本发明循环泵驱动冷却液与三维空间网络多孔散热体进行热交换构成封闭式热交换系统结构示意图。

具体实施方式

实施例一：

(1)将泡沫Cu衬底分别进行丙酮超声洗，稀硫酸超声洗，去离子水超声洗。然后在其上面采用磁控溅射方法在其上溅射Mo膜层，其中Mo膜厚度为100nm；

(2)将步骤(1)所得泡沫Cu衬底上采用热丝CVD沉积金刚石膜，沉积工艺参数：热丝距离衬底6mm，基体温度850℃，热丝温度2200℃，沉积压强3KPa，沉积时间50小时，CH₄/H₂体积流量比1:99；得三维空间金刚石网络多孔散热体。

(3)将三维空间网络多孔高效散热体装入与其体积相当，内壁与其紧密接触的外壳，构成一散热器，将散热器与电子封装材料连接，作为具备自散热功能的电子封装材料。

实施例二：

(1)将泡沫Ti衬底分别进行丙酮超声洗，稀硫酸超声洗，去离子水超声洗。然后在其上面采用磁控溅射方法在其上溅射W膜层，其中W膜厚度为300nm；

(2)将步骤(1)所得泡沫Ti衬底上采用热丝CVD沉积石墨烯膜，沉积工艺参数：热丝距离衬底6mm，基体温度900℃，热丝温度2200℃，沉积压强4KPa，等离子电流密度40mA/cm2沉积时间30小时，CH₄/H₂体积流量比6:94，得到三维空间石墨烯网络多孔散热体。

(3)将所得散热体一面与铜板紧密结合，另一面安装上风扇，构成风冷散热器。

实施例三：

(1)将泡沫Ti衬底分别进行丙酮超声洗，稀硫酸超声洗，去离子水超声洗。然后在其上面采用真空蒸发的方法在其上溅射Ni膜层，其中Ni膜厚度为500nm；

(2)将步骤(1)所得改性泡沫Ti衬底上采用热丝CVD沉积碳纳米管膜，沉积工艺参数：热丝距离衬底8mm，基体温度900℃，热丝温度2200℃，沉积压强6KPa，等离子电流密度20mA/cm²，沉积时间2小时，CH₄/H₂体积流量比15:85。

(3)所得三维多孔材料装入与其体积相当，内壁与其紧密接触的，两侧开有进出水孔的铜模中，在两孔接上循环水冷系统，构成水冷散热器。

实施例四：

(1)在厚度为5mm抛光过的高纯铜板上固定一块20mm泡沫塑料，经过CrO₃+H₂SO₄溶液氧化粗化，再经过清洗，还原，在SnCl₂+HCl溶液中敏化处理，在PdCl₂+HCl溶液中活化处理，浸入CuSO₄电解液中化学镀，镀层厚度为10μm。再经过800℃下进行氢还原退火制备出铜板支撑的泡沫铜。

(2)将铜板支撑泡沫铜置于丙酮中超声清洗，稀硫酸超声洗，去离子水中超声洗。在铜板表面贴上高温胶，然后在泡沫部分溅射一层Cr膜层，Cr层的厚度为800nm。

(3)在上述(2)所得衬底上，采用热丝CVD在改性后的蜂窝衬底表面沉积金刚石膜，沉积工艺参数：热丝距离6mm，基体温度800℃，热丝温度2200℃，沉积压强3KPa，CH₄/H₂体积流量比1:99，沉积30小时后，改变基体温度为1000℃，沉积压强5KPa，CH₄/H₂体积比5:95，等离子电流密度15mA/cm2，沉积区域中磁场强度1000高斯。诱导生长石墨烯膜，时间为1h。除去铜板表面高温胶，得到三维空间网络多孔散热体。

将三维空间网络多孔散热体与电子封装材料无铜板一侧表面结合并安装风扇，可构成风冷散热器。