一种高热导率耐磨耐腐蚀的金刚石电路板及其制备方法

1.本发明属于人工合成金刚石电路技术领域，具体是一种高热导率耐磨耐腐蚀的金刚石电路板及其制备方法。


背景技术：

2.随着cpu、发光二极管、晶体管以及各式电器元件使用功率的不断提高，以及应用环境的逐渐复杂化，对电路板的散热和耐腐蚀性能提出了更高的要求。化学气相沉积（cvd）法制备的金刚石膜具有与天然金刚石非常相近的性能，如自然界中最高的硬度、极高的耐磨性和热导率，以及极强的化学惰性（室温下耐任何酸碱腐蚀）。高纯度的金刚石膜还具有优异的绝缘性能，通常被用作高功率电路板的基板或散热绝缘层。传统制备金刚石电路板的方法一般是先在金刚石表面覆铜，然后刻蚀电路，但该方法在刻蚀过程中会产生的废液造成环境污染，且铜与金刚石热膨胀系数等性能差异会导致电路与基板间的结合性能差。此外，金属铜的耐磨耐腐蚀性能较差，无法应用在摩擦或腐蚀介质等复杂的工况环境中。
3.中国专利200710111584.x公开了一种高散热的金刚石电路板模组结构，以绝缘导热金刚石层为电路基板，在其上印刷或电镀电路结构层。然而，该专利未解决电路与金刚石基板层结合的问题，且所述的金刚石电路基板是以补强纤维、金刚石细颗粒粉体、绝缘性无机材料与高分子粘结剂等制成的，其散热、耐磨及耐蚀性能远低于纯金刚石结构。中国专利202110138208.x公开了一种基于3d打印的电路印刷方法及制备的高功率电路板，利用3d打印技术在金刚石面板上打印出agcuti导线。然而，该发明的agcuti的热导率远不及金刚石，散热效率较低，且电路与金刚石结合性能较差、电路不耐磨耐腐蚀等问题仍然存在。中国专利202110011399.3公开了一种基于激光直接加工的金刚石电路板制备方法，利用绝缘导热的金刚石为电路板基材，并采用高精度激光束扫描诱导金刚石表面局部石墨化，形成石墨导线。然而，该发明也存在石墨导线与金刚石结合性能差的问题，且石墨的热导率远不及金刚石，电路板的散热率较低。此外，激光束扫描诱导金刚石表面石墨化的程度受参数的影响较大，工艺要求高，操作复杂。
4.综上所述，目前以金刚石为基板材料制备电路板均存在以下一种或几种问题：（1）电路与金刚石基板间因热膨胀系数等性能差异，造成接触界面应力集中，结合性能较差；（2）构成电路的材料本身的热导率较低，电路散热效率低；（3）金属电路的耐磨、耐腐蚀等性能较差，无法应用在摩擦或腐蚀介质等复杂的工况环境中。


技术实现要素：

5.本发明的目的是基于上述现有技术中的问题，同时结合当前电路板高散热、高耐磨耐腐蚀性能的要求，而提供了一种高热导率耐磨耐腐蚀的金刚石电路板及其制备方法。本发明电路板分别以高纯度的绝缘金刚石和高掺b量的导电金刚石作为基板和电路，解决了现有金刚石电路板上电路与金刚石性能 差异造成的结合性能差的问题。本发明电路板中的高纯度的金刚石具有极高的电阻，是一种优异的绝缘体，而在金刚石中掺杂b元素后，
可其使表出导体甚至超导体的特性，电路板整体均为金刚石结构，具有极高的热导率，电路散热效率高，同时还具有极高的耐磨性、极低的摩擦系数以及极佳的化学稳定性，可在摩擦或腐蚀介质等条件下使用。
6.本发明是通过如下技术方案实现的：本发明的第一种技术方案，提供了一种不包含基片的单层结构的高热导率耐磨耐腐蚀的金刚石电路板，具体为：一种不包含基片的单层结构的高热导率耐磨耐腐蚀的金刚石电路板，包括单层高纯度的绝缘金刚石膜，绝缘金刚石膜的顶面上设置有高掺b量的导电金刚石电路；其中，绝缘金刚石膜由高纯度的单晶、微米晶、纳米晶或超纳米晶金刚石中的一种或多种组成，导电金刚石电路由高掺b量的单晶、微米晶、纳米晶或超纳米晶导电金刚石中的一种或多种组成。
7.上述不包含基片的单层结构的高热导率耐磨耐腐蚀的金刚石电路板的制备方法，包括如下步骤：1）将基片清洗干净后，利用cvd法，以氢气和含碳气体或氢气、氩气和含碳气体为先躯体，沉积单层绝缘金刚石膜；2）在步骤1）的单层绝缘金刚石膜的顶面覆盖一层电路图案镂空的掩模板，并利用cvd法，在由氢气和含碳气体或氢气、氩气和含碳气体组成的先躯体中添加含b气体，沉积单层导电金刚石电路；3）去除掩模板和基片，即得到单层结构的高热导率耐磨耐腐蚀的金刚石电路板。
8.本发明的第二种技术方案，提供了一种包含基片的单层结构的高热导率耐磨耐腐蚀的金刚石电路板，具体为：一种包含基片的单层结构的高热导率耐磨耐腐蚀的金刚石电路板，包括单层高纯度的绝缘金刚石膜，绝缘金刚石膜的底面设置有基片，绝缘金刚石膜的顶面上设置有高掺b量的导电金刚石电路；其中，绝缘金刚石膜由高纯度的单晶、微米晶、纳米晶或超纳米晶金刚石中的一种或多种组成，导电金刚石电路由高掺b量的单晶、微米晶、纳米晶或超纳米晶导电金刚石中的一种或多种组成。
9.上述包含基片的单层结构的高热导率耐磨耐腐蚀的金刚石电路板的制备方法，包括如下步骤：1）将基片清洗干净后，利用cvd法，以氢气和含碳气体或氢气、氩气和含碳气体为先躯体，沉积单层绝缘金刚石膜；2）在步骤1）的单层绝缘金刚石膜的顶面覆盖一层电路图案镂空的掩模板，并利用cvd法，在由氢气和含碳气体或氢气、氩气和含碳气体组成的先躯体中添加含b气体，沉积单层导电金刚石电路；3）去除掩模板、保留基片，即得到单层结构的高热导率耐磨耐腐蚀的金刚石电路板。
10.本发明的第三种技术方案，提供了一种不包含基片的多层结构的高热导率耐磨耐腐蚀的金刚石电路板，具体为：一种不包含基片的多层结构的高热导率耐磨耐腐蚀的金刚石电路板，包括多层高纯度的绝缘金刚石膜，每层绝缘金刚石膜的顶面上均设置有高掺b量的导电金刚石电路，除
顶层绝缘金刚石膜上的导电金刚石电路以外，其余各层绝缘金刚石膜上的导电金刚石电路均镶嵌于其上一层的绝缘金刚石膜内；其中，绝缘金刚石膜由高纯度的单晶、微米晶、纳米晶或超纳米晶金刚石中的一种或多种组成，导电金刚石电路由高掺b量的单晶、微米晶、纳米晶或超纳米晶导电金刚石中的一种或多种组成；绝缘金刚石膜及导电金刚石电路的层数为2-99层，各层绝缘金刚石膜的结构和成分构成可以相同也可以不同，各层导电金刚石电路的结构和成分构成可以相同也可以不同。
11.上述不包含基片的多层结构的高热导率耐磨耐腐蚀的金刚石电路板的制备方法，包括如下步骤：1）将基片清洗干净后，利用cvd法，以氢气和含碳气体或氢气、氩气和含碳气体为先躯体，沉积第一层绝缘金刚石膜；2）在步骤1）的第一层绝缘金刚石膜的顶面覆盖一层电路图案镂空的掩模板，并利用cvd法，在由氢气和含碳气体或氢气、氩气和含碳气体组成的先躯体中添加含b气体，沉积第一层导电金刚石电路；3）去除掩模板和基片，得到第一层绝缘金刚石膜及导电金刚石电路；4）在步骤3）的第一层绝缘金刚石膜及导电金刚石电路上放置正好能够覆盖住第一层导电金刚石电路的掩模板，并利用cvd法，以氢气和含碳气体或氢气、氩气和含碳气体为先躯体，沉积刚好能够填满第一层导电金刚石电路间隙的绝缘金刚石膜，然后去除掩模板，继续沉积绝缘金刚石膜，得到第二层绝缘金刚石膜；5）在步骤4）的第二层绝缘金刚石膜的顶面覆盖一层电路图案镂空的掩模板，并利用cvd法，在由氢气和含碳气体或氢气、氩气和含碳气体组成的先躯体中添加含b气体，沉积第二层导电金刚石电路；6）去除掩模板，得到第二层绝缘金刚石膜及导电金刚石电路；7）反复重复上述步骤4）-6），最后即得到多层结构的高热导率耐磨耐腐蚀的金刚石电路板。
12.本发明的第四种技术方案，提供了一种包含基片的多层结构的高热导率耐磨耐腐蚀的金刚石电路板，具体为：一种包含基片的多层结构的高热导率耐磨耐腐蚀的金刚石电路板，包括多层高纯度的绝缘金刚石膜，每层绝缘金刚石膜的顶面上均设置有高掺b量的导电金刚石电路，除顶层绝缘金刚石膜上的导电金刚石电路以外，其余各层绝缘金刚石膜上的导电金刚石电路均镶嵌于其上一层的绝缘金刚石膜内，最底层绝缘金刚石膜的底面设置有基片；其中，绝缘金刚石膜由高纯度的单晶、微米晶、纳米晶或超纳米晶金刚石中的一种或多种组成，导电金刚石电路由高掺b量的单晶、微米晶、纳米晶或超纳米晶导电金刚石中的一种或多种组成；绝缘金刚石膜及导电金刚石电路的层数为2-99层，各层绝缘金刚石膜的结构和成分构成可以相同也可以不同，各层导电金刚石电路的结构和成分构成可以相同也可以不同。
13.上述包含基片的多层结构的高热导率耐磨耐腐蚀的金刚石电路板的制备方法，包括如下步骤：1）将基片清洗干净后，利用cvd法，以氢气和含碳气体或氢气、氩气和含碳气体为先躯体，沉积第一层绝缘金刚石膜；2）在步骤1）的第一层绝缘金刚石膜的顶面覆盖一层电路图案镂空的掩模板，并利
用cvd法，在由氢气和含碳气体或氢气、氩气和含碳气体组成的先躯体中添加含b气体，沉积第一层导电金刚石电路；3）去除掩模板、保留基片，得到第一层绝缘金刚石膜及导电金刚石电路；4）在步骤3）的第一层绝缘金刚石膜及导电金刚石电路上放置正好能够覆盖住第一层导电金刚石电路的掩模板，并利用cvd法，以氢气和含碳气体或氢气、氩气和含碳气体为先躯体，沉积刚好能够填满第一层导电金刚石电路间隙的绝缘金刚石膜，然后去除掩模板，继续沉积绝缘金刚石膜，得到第二层绝缘金刚石膜；5）在步骤4）的第二层绝缘金刚石膜的顶面覆盖一层电路图案镂空的掩模板，并利用cvd法，在由氢气和含碳气体或氢气、氩气和含碳气体组成的先躯体中添加含b气体，沉积第二层导电金刚石电路；6）去除掩模板，得到第二层绝缘金刚石膜及导电金刚石电路；7）反复重复上述步骤4）-6），最后即得到多层结构的高热导率耐磨耐腐蚀的金刚石电路板。
14.进一步的，上述各种技术方案的制备方法中，cvd法包括但不限于热丝cvd法、直流电弧等离子体喷射cvd法、微波等离子体cvd法；含c气体包括但不限于ch4、c2h2、c3h8；含b气体包括但不限于气态b化合物、掺杂含b挥发性液体的气体、利用高温气化的含b固体；基片为石墨或含si、w、mo、ta、ti 、cr、hf、nb、zr、re、v、y、ir、ga、ag、cu元素及其o、n、c化合物中一种或多种材料的基片。
15.与现有技术相比，本发明的有益效果是：1）本发明制备的电路板基板和电路均为cvd法直接沉积而成的金刚石材料，避免了因异质材料性能差异造成的结合性能差的问题；2）本发明的电路板以金刚石结构为主体，具有极高的导热系数，极佳的散热性能，极高的强度和硬度，极低摩擦系数、极佳的耐磨性、优异的化学稳定性和耐腐蚀性能；3）本发明借助掩模板在高纯度的绝缘金刚石膜表面沉积高掺b量的导电金刚石电路，可根据需求制作各种图案的电路，可控性强，精度高；且可通过改变cvd沉积环境中含b气体的浓度，获得不同含b量的导电金刚石电路，实现电路电导率的有效调控；4）本发明电路板中高纯度的绝缘金刚石膜和高掺b量的导电金刚石电路可在同一台cvd设备中完成，基板层和电路结构和成分可控性腔，设备投入成本低，生产效率高。
附图说明
16.为了更清楚地说明本技术实施例的技术方案，下面将对本技术实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本技术的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
17.图1为实施例1中单层绝缘金刚石膜及导电金刚石电路的制备流程示意图；图2为实施例2中上层绝缘金刚石膜及导电金刚石电路的制备流程示意图；图3为实施例3中制备得到的三层结构的高热导率耐磨耐腐蚀的金刚石电路板的结构示意图；图中：1-基片、2-绝缘金刚石膜、3-导电金刚石电路、4-掩模板。
具体实施方式
18.下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
19.在本发明的描述中，需要理解的是，术语类似
ꢀ“
上”、“下”、
ꢀ“
顶”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
20.实施例1一种单层结构的高热导率耐磨耐腐蚀的金刚石电路板，包括单层高纯度的绝缘金刚石膜2，绝缘金刚石膜1的顶面上设置有高掺b量的导电金刚石电路3，如图1中的d；其中，绝缘金刚石膜2由绝缘的高纯度的微米晶金刚石组成，导电金刚石电路3由高掺b量的纳米晶导电金刚石组成。
21.上述单层结构的高热导率耐磨耐腐蚀的金刚石电路板的制备方法，如图1所示，包括以下步骤：1）采用si片作为基片1，将基片1清洗干净后，利用微波等离子体cvd法，以氢气和ch4为先躯体，沉积高纯度的单层绝缘金刚石膜2，如图1中的a；2）在步骤1）得到的单层绝缘金刚石膜2的顶面覆盖一层电路图案镂空的掩模板4，如图1中的b，并利用微波等离子体cvd法，在由氢气和ch4组成的先躯体中添加b2h6，沉积高掺b量的单层导电金刚石电路3，如图1中的c；3）去除掩模板4和基片1，得到由高纯度的绝缘金刚石膜2和高掺b量的导电金刚石电路3构成的单层结构的高热导率耐磨耐腐蚀的金刚石电路板，如图1中的d。
22.实施例2一种两层结构的高热导率耐磨耐腐蚀的金刚石电路板，包括上、下两层高纯度的绝缘金刚石膜2，上、下两层绝缘金刚石膜2的顶面上均设置有高掺b量的导电金刚石电路3，并且下层绝缘金刚石膜2上的导电金刚石电路3镶嵌于上层的绝缘金刚石膜2内，如图2中的j；其中，下层绝缘金刚石膜2由高纯度的微米晶金刚石组成，上层绝缘金刚石膜2由高纯度的纳米晶金刚石组成；上、下两层导电金刚石电路3均由高掺b量的纳米晶导电金刚石组成。
23.上述两层结构的高热导率耐磨耐腐蚀的金刚石电路板的制备方法，如图1和图2所示，包括以下步骤：1）采用强碳化物形成材料ti作为基片1，将基片1清洗干净后，利用热丝cvd法，以氢气、ar和ch4为先躯体，沉积高纯度的下层绝缘金刚石膜2，如图1中的a；2）在步骤1）制成的下层绝缘金刚石膜2的顶面覆盖一层电路图案镂空的掩模板4，如图1中的b，并利用热丝cvd法，在由氢气、ar和ch4组成的先躯体中添加含有硼酸三甲酯的氢气，沉积高掺b量的下层导电金刚石电路3，如图1中的c；3）去除掩模板4和基片1，得到由高纯度的绝缘金刚石膜2和高掺b量的导电金刚石电路3构成的下层绝缘金刚石膜2及导电金刚石电路3，如图1中的d；4）在步骤3）制成的下层绝缘金刚石膜2及导电金刚石电路3上放置正好能够覆盖
住下层导电金刚石电路3的掩模板4，如图2中的e，并利用热丝cvd法，以氢气、ar和ch4为先躯体，沉积刚好能够填满下层导电金刚石电路3间隙的绝缘金刚石膜2，如图2中的f，然后去除掩模板4，如图2中的g，继续沉积一定厚度的绝缘金刚石膜2，最终得到上层绝缘金刚石膜2，如图2中的h；5）在步骤4）制成的上层绝缘金刚石膜2的顶面覆盖一层电路图案镂空的掩模板4，如图2中的h，并用热丝cvd法，在由氢气、ar和ch4组成的先躯体中添加含有硼酸三甲酯的氢气，沉积高掺b量的上层导电金刚石电路3，如图2中的i；6）去除掩模板，即得到了两层结构的高热导率耐磨耐腐蚀的金刚石电路板，如图2中的j。
24.实施例3一种三层结构的高热导率耐磨耐腐蚀的金刚石电路板，包括上、中、下三层高纯度的绝缘金刚石膜2，上、中、下三层绝缘金刚石膜2的顶面上均设置有高掺b量的导电金刚石电路3，并且下层绝缘金刚石膜2上的导电金刚石电路3镶嵌于中层的绝缘金刚石膜2内、中层绝缘金刚石膜2上的导电金刚石电路3镶嵌于上层的绝缘金刚石膜2内，如图3；其中，上、中、下三层绝缘金刚石膜2均由高纯度的微米晶/纳米晶两种混合的金刚石组成；上、中、下三层导电金刚石电路3均由高掺b量的纳米晶导电金刚石组成。
25.上述三层结构的高热导率耐磨耐腐蚀的金刚石电路板的制备方法，如图1、图2和图3所示，包括以下步骤：1）采用sic片作为基片1，将基片1清洗干净后，利用直流电弧等离子体喷射cvd法，以氢气、ar和c2h2为先躯体，沉积高纯度的下层绝缘金刚石膜2，如图1中的a；2）在步骤1）制成的下层绝缘金刚石膜2的顶面覆盖一层电路图案镂空的掩模板4，如图1中的b，并利用直流电弧等离子体喷射cvd法，在由氢气、ar和c2h2组成的先躯体中添加含有三甲基硼的氢气，沉积高掺b量的下层导电金刚石电路3，如图1中的c；3）去除掩模板4和基片1，得到由高纯度的绝缘金刚石膜2和高掺b量的导电金刚石电路3构成的下层绝缘金刚石膜2及导电金刚石电路3，如图1中的d；4）在步骤3）制成的下层绝缘金刚石膜2及导电金刚石电路3上放置正好能够覆盖住下层导电金刚石电路3的掩模板4，如图2中的e，并利用直流电弧等离子体喷射cvd法，以氢气、ar和c2h2为先躯体，沉积刚好能够填满下层导电金刚石电路3间隙的绝缘金刚石膜2，如图2中的f，然后去除掩模板4，如图2中的g，继续沉积一定厚度的绝缘金刚石膜2，最终得到中层绝缘金刚石膜2，如图2中的h；5）在步骤4）制成的中层绝缘金刚石膜2的顶面覆盖一层电路图案镂空的掩模板4，如图2中的h，并用直流电弧等离子体喷射cvd法，在由氢气、ar和c2h2组成的先躯体中添加含有三甲基硼的氢气，沉积高掺b量的中层导电金刚石电路3，如图2中的i；6）去除掩模板，得到中层绝缘金刚石膜2及导电金刚石电路3，如图2中的j；7）在步骤6）制成的中层绝缘金刚石膜2及导电金刚石电路3上放置正好能够覆盖住中层导电金刚石电路3的掩模板，并利用直流电弧等离子体喷射cvd法，以氢气、ar和c2h2为先躯体，沉积刚好能够填满中层导电金刚石电路3间隙的绝缘金刚石膜2，然后去除掩模板4，继续沉积一定厚度的绝缘金刚石膜2，最终得到上层绝缘金刚石膜2；8）在步骤6）制成的上层绝缘金刚石膜2的顶面覆盖一层电路图案镂空的掩模板4，
并用直流电弧等离子体喷射cvd法，在由氢气、ar和c2h2组成的先躯体中添加含有三甲基硼的氢气，沉积高掺b量的上层导电金刚石电路3；9）去除掩模板，即得到了三层结构的高热导率耐磨耐腐蚀的金刚石电路板，如图3。
26.实施例4实施例4与实施例1相同，不同点在于：金刚石电路板的结构构造中，在单层高纯度的绝缘金刚石膜2的底面上设置有si片作为基片1；对应的，在其制备方法中，在步骤3）中，去除掩模板4、保留基片1即可。
27.实施例5实施例5与实施例2相同，不同点在于：金刚石电路板的结构构造中，在下层绝缘金刚石膜2的底面上设置有强碳化物形成材料ti作为基片1；对应的，在其制备方法中，在步骤3）中，去除掩模板4、保留基片1即可。
28.实施例6实施例6与实施例3相同，不同点在于：金刚石电路板的结构构造中，在下层绝缘金刚石膜2的底面上设置有sic片作为基片1；对应的，在其制备方法中，在步骤3）中，去除掩模板4、保留基片1即可。
29.需要说明的是，以上所述仅为本发明的具体实施例，并不用以限制本发明，在不冲突的情况下，本技术中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。凡在本发明揭露的技术范围和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等变化均应包含在本发明的保护范围之内。