[发明专利]一种基于真空热蒸镀的金刚石颗粒表面改性方法

说明书

本发明公开一种基于真空热蒸镀的金刚石颗粒表面改性方法，该方法包括如下步骤：首先对金刚石颗粒进行表面预处理；然后对预处理后的金刚石颗粒进行离子束改性处理，得到活化的金刚石颗粒；最后通过真空热蒸镀法对活化金刚石颗粒表面改性，获得表面包覆碳化物镀层的金刚石颗粒。本发明能够解决现有金刚石颗粒表面改性方法中金刚石石墨化倾向明显，镀层均匀性差等问题。本发明操作简单，方便易行，成本低廉，满足工业量级金刚石颗粒表面改性要求。

技术领域

本发明涉及表面改性技术领域，尤其是一种基于真空热蒸镀的金刚石颗粒表面改性方法。

背景技术

根据使用材料的不同，功率半导体芯片主要分为硅、砷化镓、碳化硅和氮化镓等。与硅相比，碳化硅和氮化镓具有超过3电子伏特(eV)的宽带隙和更高的导热率，可以实现更高的功率效率、更小的尺寸、更轻的重量和更低的总体成本，为高压功率半导体器件提供了许多有吸引力的特性。伴随着这些新型功率半导体芯片的推广应用，半导体器件的功率密度越来越大，单位面积的发热量迅速攀升，散热问题成为亟待解决问题。

金刚石颗粒增强铜基复合材料具有高导热、热膨胀系数可调节等优点，可作为新一代高性能热管理材料，为碳化硅和氮化镓半导体提供高效稳定散热功能，确保其工作稳定性和安全可靠性。金刚石颗粒室温热导率1500～2200W/(m·K)，铜室温热导率400W/(m·K)，理论上金刚石颗粒增强铜基复合材料热导率可达1000W/(m·K)，但由于金刚石与铜基体之间界面能高，导致铜基体对金刚石润湿性差，界面结合弱，界面热阻较高。未改性的金刚石颗粒增强铜基复合材料实际热导率只能达到200W/(m·K)左右，无法充分发挥其高导热特性。

金刚石表面改性可有效解决金刚石表面润湿性差的问题。通过物理或化学方法在金刚石表面镀覆一些强碳化物形成元素，如Ti，Cr，W，Mo、V等，使之与金刚石表面碳原子反应生成稳定的金属碳化物，以此改善金刚石与基体金属的润湿性，提高复合材料导热率。目前，金刚石颗粒表面改性方法主要有高温热扩散、盐浴镀覆、磁控溅射、化学气相沉积和溶胶-凝胶法等。

专利CN104651658 A和专利CN104674208A将金刚石颗粒与过量WO₃粉末或MoO₃粉末混合，真空环境下，通过高温热扩散在金刚石表面沉积W或Mo镀层。由于反应温度较高(950～1050℃)，金刚石表面出现了不同程度的石墨化现象，镀层结合强度和金刚石本征热导率也随之明显降低。此外，该方法制备出的W或Mo镀层较为粗糙，厚度和均匀性难以精确控制。

专利CN 111575700 A采用化学气相沉积法在金刚石颗粒表面镀W。该方法将蓝钨或紫钨(WO₃)镀覆料和金刚石颗粒混合均匀，氢气气氛中，加热至700～800℃，保温1～2h，通过还原和碳化反应，得到不同形貌的钨镀层包覆的金刚石颗粒。与高温热扩散法相比，虽然镀覆温度稍有降低，但氢气成本高，无法满足工业量级金刚石颗粒单次大批量镀覆要求。

专利CN 110373660 A将金刚石颗粒连同钨粉放入氯化物盐中，在高温环境下，通过氯化物熔盐带动获得不同镀层包覆的金刚石颗粒。由于反应温度较高(900～1200℃)，金刚石难免石墨化；同时，较高的反应温度下，熔盐挥发严重，设备易产生腐蚀，且熔盐清洗分离困难。另外，由于金刚石颗粒和钨粉密度相差大，钨粉易沉淀，难以获得均匀的钨镀层。

专利CN 111039675 A将金刚石颗粒与Mo、MoO₃和卤化物混合后，利用高温熔盐歧化反应在金刚石表面原位制备致密连续Mo₂C层。此方法同样存在金刚石石墨化倾向明显，高温盐蒸汽腐蚀设备，熔盐残渣难洗净以及镀层均匀性差问题。

发明内容

本发明提供一种基于真空热蒸镀的金刚石颗粒表面改性方法，用于克服现有表面改性方法中金刚石石墨化倾向明显，镀层均匀性差，难以满足工业量级镀覆要求等问题。

为实现上述目的，本发明提出一种基于真空热蒸镀的金刚石颗粒表面改性方法，包括以下步骤：