钨-类金刚石复合物理气相沉积散热涂层及其制备方法与流程

本发明的实施例涉及一种物理气相沉积（pvd）真空镀膜、电子元器件热管理、大功率器件散热防护涂层中的高硬度ta-c 复合pvd散热涂层；具体为一种钨 - 类金刚石（w+ta-c）复合 pvd 功能散热涂层，非晶四面体碳的钨-类金刚石复合物理气相沉积散热涂层及其制备方法。

背景技术：

1、在现有的技术中，pvd真空涂层是利用物理过程实现物质转移，将原子或分子由源转移到基材表面上的过程。它的作用是可以使某些有特殊性能（强度高、耐磨性、散热性、耐腐性等）的微粒喷涂在性能较低的母体上，使得母体具有更好的性能。pvd真空涂层相比于电镀等传统镀膜方式具有环保、低成本、高收益等特点，同时因其低温、高能的优势，几乎可以在任何基材上成膜，使其应用领域十分广阔。比于常规的电镀,pvd真空等离子镀铬涂层,具有更高的硬度和更低的摩擦系数。在膜层厚度方面，pvd真空等离子镀铬可以将涂层厚度控制在1um范围内，能够完全满足客户对尺寸公差的要求，物理气相沉积（pvd）技术是制备薄膜材料常用的方法之一，传统ta-c 类（类金刚石类）pvd 涂层具有以下的缺点:

2、1、单一涂层导热与结构稳定性无法兼顾传统纯ta-c 类 pvd 涂层以类金刚石碳相为主，硬度高但纵向热传导通路连续性差；纯钨基 pvd 膜导热优异但抗氧化性弱、膜层内应力大易开裂脱落；常规分层镀制 w 层+tac 层采用普通磁控溅射 /电弧源，层间界面孔隙多、热阻大，界面散热损耗严重，无法实现高导热 + 强附着 + 耐温抗腐蚀协同。

3、2、工艺工序繁琐、能耗高、良品率低 现有复合涂层需分两次开腔镀膜（先镀 w 打底、再镀ta-c 表层），中间需破真空二次装夹，工序多、单炉生产周期长；靶材利用率低、真空腔反复抽放气能耗高；涂层厚度均匀性差，批量产品散热性能离散度大，无标准化闭环控温沉积工艺。

4、3、高温工况下防护能力缺失单一ta-c 涂层 400℃以上易石墨化失效，纯钨涂层600℃快速氧化生成氧化钨疏松层，热阻急剧上升；现有复合涂层未设计梯度成分过渡结构，热膨胀系数不匹配，温差应力导致膜层崩裂，无法适配大功率器件长期连续散热场景。

技术实现思路

1、本发明的实施方式的目的在于提供一种能够散热核心性能指标大幅提升，涂层结构与质量优化、生产端降本增效、工序简化并且环保与应用拓展优势的钨-类金刚石复合物理气相沉积散热涂层及其制备方法。

2、为了实现上述目的，本发明的实施方式设计了一种钨-类金刚石复合物理气相沉积散热涂层，包括：

3、镀钨层，在被镀物体上通过双模式脉冲供电模块通过磁控和多弧模式物理气相沉积所述镀钨层；

4、类金刚石层，在所述镀钨层完成后，将所述双模式脉冲供电模块换到多弧模式在所述镀钨层的上方物理气相沉积所述类金刚石层；构成所述钨-类金刚石复合物理气相沉积散热涂层。

5、进一步，在所述的钨-类金刚石复合物理气相沉积散热涂层中，所述双模式脉冲供电模块为靶极脉冲溅射模块或者基片脉冲偏压模块或者弧源和过滤弧脉冲模块。

6、进一步，在所述的钨-类金刚石复合物理气相沉积散热涂层中，所述镀钨层为0.5-30μm; 所述类金刚石层的涂层厚度0.1～8μm；所述所述类金刚石层为无氢ta-c类金刚石涂层或含氢类金刚石涂层。

7、进一步，在所述的钨-类金刚石复合物理气相沉积散热涂层中，所述镀钨层和所述类金刚石层之间的膜基结合力≥50n，表面粗糙度ra≤0.4μm；所述镀钨层和所述类金刚石层之间的层间界面热阻≤0.06 (cm²・k)/w。

8、进一步，在所述的钨-类金刚石复合物理气相沉积散热涂层中，所述的钨-类金刚石复合物理气相沉积散热涂层的膜层孔隙率≤0.8%；所述的钨-类金刚石复合物理气相沉积散热涂层的涂层结合力：划格法 0 级，纳米压痕结合强度≥50n，经室温下500 次无起皮、开裂、脱落；硬度：28-35gpa。

9、在本发明中还提供了一种所述钨-类金刚石复合物理气相沉积散热涂层的制备方法，包括以下步骤：

10、步骤10，涂层环境准备：温度设定在50-300摄氏度，离子源采用夹缝离子源，在负偏压500-1000v，真空度0.05-0.8pa之间，用纯ar气氛围下进行刻蚀和金属表面活化，使用20-50sccm的氢气进行防氧化辅助，清洗10-60分钟；进入步骤s20；

11、步骤s20，钨底层涂层：采用双模式脉冲供电模块，采用磁控+多弧模式设定钨靶电流20-250a，频率10-500hz，占空比5-60%，负偏压20-200v，纯ar氛围下，真空度0.1-10pa，沉积10-30分钟；进入步骤s30；

12、步骤s30：根据钨底层涂层的厚度匹配类金刚石层涂层的厚度，匹配完成后，进入步骤s40；

13、步骤s40：功能层类金刚石层涂层：将双模式脉冲供电模块切换到多弧模式，弧电流30-120a，负偏压30-200v，纯ar氛围，真空度0.01-0.5pa，沉积时间沉积10-30分钟。

14、进一步，在本发明所述的钨-类金刚石复合物理气相沉积散热涂层的制备方法中，所述钨底层涂层的厚度匹配所述类金刚石层涂层的厚度如下：

15、当钨镀层0.5～3μm时，类金刚石层涂层的涂层厚度1～2μm；

16、当钨镀层3～10μm时，类金刚石层涂层的涂层厚度2～3μm；

17、当钨镀层10～30μm时，类金刚石层涂层的涂层厚度3～5μm；

18、所述类金刚石层涂层的涂层最大不超过8μm。

19、进一步，在本发明所述的钨-类金刚石复合物理气相沉积散热涂层的制备方法中，所述钨-类金刚石复合物理气相沉积散热涂层在600℃空气氛围下稳定，钨相被类金刚石包裹钝化，不会快速氧化失效。

20、进一步，在本发明所述的钨-类金刚石复合物理气相沉积散热涂层的制备方法中，所述制备方法的良品率＞98%。

21、进一步，在本发明所述的钨-类金刚石复合物理气相沉积散热涂层的制备方法中，沉积所述类金刚石层涂层前不对所述钨镀层进行大气暴露，保持真空腔体内连续作业；所述类金刚石层涂层沉积阶段负偏压-80v～-250v，工作气压0.1～0.4pa；在所述钨镀层与所述类金刚石层涂层之间设置梯度过渡层，梯度过渡层为钨-碳混合组分层，由逐步调高碳源通入量、逐步降低钨靶功率生成，缓释膜层内应力。

22、本发明的实施方式同现有技术相比，采用在被镀物体上通过双模式脉冲供电模块通过磁控和多弧模式物理气相沉积镀钨层；在镀钨层完成后，将双模式脉冲供电模块换到多弧模式在镀钨层的上方物理气相沉积类金刚石层；构成钨-类金刚石复合物理气相沉积散热涂层。该钨-类金刚石复合物理气相沉积散热涂层具有以下的优点：高导热 + 低热阻+ 高结合力 + 高硬度 + 高耐磨性 + 高耐腐蚀性 + 低膨胀系数 + 高化学稳定性 + 高热导率 + 低热应力等优点，具体如下：

23、1. 散热核心性能指标大幅提升

24、复合涂层等效热导率：＞400 w/(m·k)，对比传统纯ta-c 涂层（200w/(m・k)）提升200% 以上；大功率热源工况下器件表面稳态温降 40℃以下；

25、界面热阻：层间界面热阻≤0.06 (cm²・k)/w，传统分步镀膜结构界面热阻≥0.18(cm²・k)/w，热传导损耗降低 67%；

26、红外辐射散热发射率：0.85~0.91，具备被动辐射散热能力，自然对流环境下散热效率额外提升 25%。

27、2. 涂层结构与质量优化

28、膜层孔隙率≤0.8%，常规电弧 pvd 涂层孔隙率 5%~12%，水汽、腐蚀介质难以渗入，耐盐雾腐蚀时长由 48h 提升至 100h 以上；

29、涂层结合力：划格法 0 级，纳米压痕结合强度≥50n，经室温下500 次无起皮、开裂、脱落；

30、硬度：28~35gpa，兼具耐磨防护，散热同时可抵抗装配摩擦、粉尘冲刷磨损。

31、3. 生产端降本增效、工序简化

32、工序精简：由传统 “两次镀膜 + 两次抽真空” 缩减为单炉单次真空完成全流程，单炉生产时长由 6~7h 缩短至 3.5~4h，设备产能提升 45%；

33、能耗节约：腔体反复抽放真空频次清零，单批次水电能耗降低 32%；靶材利用率提升 30%，原材料耗材成本下降；

34、良品率：涂层良品率98%以上；

35、操作简便：整套工艺写入设备全自动程序配方，一键启动闭环运行，无需人工分步调控参数，降低人工操作门槛与人为误差。

36、4. 环保与应用拓展优势

37、生产全过程为干式真空 pvd 工艺，无强酸强碱电镀废液、废气排放，无污染处理工序，根治传统电镀导热涂层的三废污染问题；

38、基材适配范围：碳钢、铝合金、铜基板、硬质合金、pcb、陶瓷、石墨基底均可镀膜，可用于半导体散热件、动力电池、无人机热控、航天发动机热端部件、激光发生器热沉等多领域，应用场景显著拓宽；

39、新增耐高温稳定性能：600℃空气氛围下可长期稳定服役，w 相被ta-c 包裹钝化，不会快速氧化失效，填补常规 w 基、ta-c 涂层无法兼顾中高温长效散热的空白。