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鄒小姐：13326633089 -
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隨著通訊技術(shù)的迭代升級，半導體器件的迅速發(fā)展，芯片集成電路密度不斷增加，器件性能不斷提高，散熱問題成了迫切解決的問題和行業(yè)熱點，對散熱新材料也提出了更高性能的要求。于是，超高導熱材料的隨之爆發(fā)，引起學術(shù)、產(chǎn)業(yè)研究熱潮。
其中，高導熱金屬基復(fù)合材料結(jié)合了金屬材料和無機非金屬材料的性能，表現(xiàn)出高熱導率、高強度、低密度和熱膨脹系數(shù)可調(diào)等綜合優(yōu)勢，有望解決未來高性能電子器件的熱管理難題，未來10年或可大規(guī)模應(yīng)用于電力電子、微波通信、軌道交通和航空航天等領(lǐng)域。
常用熱管理材料熱導率-熱膨脹系數(shù)分布
電子封裝對熱管理材料性能的總體要求
傳統(tǒng)的應(yīng)用于電子封裝領(lǐng)域的導熱材料主要包括Al2O3、W/Cu、Mo/Cu、Invar合金、Kovar合金和AlN等，這些材料由于導熱率低或熱膨脹系數(shù)高等原因已不能滿足應(yīng)用要求，對電子器件正常工作效率和使用壽命構(gòu)成巨大威脅，尤其是以高功率的絕緣柵雙極型晶體管( IGBT) 、微波、電磁、光電等器件為典型應(yīng)用的高科技技術(shù)領(lǐng)域和以有源相控陣雷達、高能固體激光器等為典型應(yīng)用的國防技術(shù)領(lǐng)域的迫切應(yīng)用需求。
常用電子封裝材料的熱學性能
電子封裝對熱管理材料性能的總體要求包括:
（1）熱膨脹系數(shù)(CTE)與半導體材料（硅、砷化鎵、氮化鎵、碳化硅等）匹配或接近：減小與半導體之間的熱應(yīng)力，避免熱應(yīng)力失效；
（2）高熱導率：能將半導體產(chǎn)生的熱量及時均勻化并散除到環(huán)境中；
（3）足夠的強度?剛度和韌性：對半導體和器件起到良好的支撐和保護作用；
（4）高氣密性：抵御外部高溫、高濕、腐蝕或交變條件等有害環(huán)境，構(gòu)筑高可靠性工作空間；
（5）成型性與表面控制：易加工成型或可近終成型，并滿足表面質(zhì)量控制要求（鍍金、粗糙度、平整度等）；
（6）輕質(zhì)化：密度盡可能低，利于器件的結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計；
（7）其他特殊要求：如功能特性要求（電磁/射頻/輻射屏蔽、導電/絕緣等），成本控制與競爭性要求（成品率高、適于批量生產(chǎn)、價格低等）。
高導熱金屬基復(fù)合材料的制備
金屬基復(fù)合材料(Metal Matrix Composites，MMC)是以具有較高導熱率的金屬為基體，以具有較高導熱率無機非金屬的纖維、晶須、顆?；蚣{米顆粒等為增強體，經(jīng)復(fù)合而成的新材料，是現(xiàn)代最具競爭優(yōu)勢的新型熱管理材料。
鋁、銅、鎂因其相對較高的熱導率、較低的密度以及優(yōu)異的加工性，目前已經(jīng)成為熱管理用金屬基復(fù)材的主流基體，常用的增強相主要包括增強體主要是各種形式的碳材料（碳纖維、熱解石墨、金剛石顆粒）、碳化硅顆粒、硅顆粒等。
（1）金屬基復(fù)合材料的制備方法
針對金屬基復(fù)合材料的制備方法已經(jīng)形成了多種體系，包括固相法、液相法、氣態(tài)法、原位生成法等。
金屬基復(fù)合材料制備方法
與其他金屬基復(fù)合材料相比，“碳金復(fù)材”中碳材料與金屬基體的浸潤性較差，若制備方法不當?shù)玫降膹?fù)合材料的熱導率反而低于金屬基體本身。國內(nèi)外研制“碳金復(fù)材”時，多采用壓力浸滲法，以獲得更強的界面結(jié)合強度。
壓力浸滲法是指通過施加壓力（真空壓力或自排氣壓力），突破增強體的表面張力將金屬液體滲透進增強體預(yù)制件中，然后凝固成型的方法，其具有適用性高、界面強度高和可定制性高的優(yōu)勢，增強體的體積分數(shù)通?？蛇_到50%~80%。該方法應(yīng)用于“碳金復(fù)材”，易于獲得高強度、高導熱、低膨脹等特性的近凈成型產(chǎn)品，可免于后續(xù)的復(fù)雜加工過程，可廣泛應(yīng)用于電子封裝和航空航天等領(lǐng)域的散熱器件?
（2）影響金屬基復(fù)合材料導熱性能的主要因素
增強體的物性（種類、含量、尺寸）、金屬基體的物性（種類、純度）、增強體/基體的復(fù)合界面熱導及增強體在基體中的空間分布是主要影響金屬基復(fù)合材料導熱性能的因素。其中，復(fù)合界面始終是決定金屬基復(fù)合材料導熱性能的關(guān)鍵因素，納米尺度界面改性設(shè)計可能是未來進一步提高金屬基復(fù)合材料熱導率的一個重要途徑。
常見的金屬基復(fù)合材料
（1）鋁基復(fù)合材料
鋁基復(fù)合材料在金屬基復(fù)合材料中發(fā)展最成熟，主要包括硅/鋁(Sip/Al)、碳纖維/鋁(Cf/Al)、碳化硅/鋁(SiCp/Al)、金剛石/鋁(Diamond/Al)等，不僅比強度、比剛度高，而且導熱性能好、熱膨脹系數(shù)可調(diào)、密度低，在航空航天、交通運輸及其他移動系統(tǒng)等結(jié)構(gòu)輕量化應(yīng)用領(lǐng)域極具競爭優(yōu)勢，尤其是Sip/Al和SiCp/Al復(fù)合材料在國內(nèi)外已得到廣泛應(yīng)用。
電子封裝用SiCp/Al復(fù)合材料
（2）銅基復(fù)合材料
純銅導電性好，熱導率高(385～400W/m·K)，約為純鋁的1.7倍，熱膨脹系數(shù)也低于純鋁。與鋁基復(fù)合材料相比，銅基復(fù)合材料只需添加更少量增強體，熱膨脹系數(shù)即可與半導體相匹配，并易于獲得更高熱導率。
更為重要的是，銅基復(fù)合材料不僅可集成高導熱、低膨脹系數(shù)以滿足熱管理功能特性，還具有良好的耐熱、耐蝕與化學穩(wěn)定性，可在更大程度上滿足高溫、腐蝕環(huán)境等極端服役條件的要求，如核電工程、酸堿及干濕冷熱交替的大氣環(huán)境等。
因此，在密度非第一考慮要素時，銅基復(fù)合材料往往是先進熱管理材料的理想選擇，尤其是金剛石/銅(Diamond/Cu)復(fù)合材料，近年來已發(fā)展成為金屬基復(fù)合材料的研究熱點之一。然而，銅密度高，且與增強體之間存在界面結(jié)合和潤濕性問題，嚴重阻礙了其性能提升與熱管理應(yīng)用，目前已得到研究者的廣泛關(guān)注。
C/Cu導熱復(fù)合材料
（3）輕質(zhì)鎂基復(fù)合材料
與Al、Cu相比，Mg具有更低的密度，但其熱導率也可達到150W/m·K，尤其通過高導熱碳纖維、金剛石顆粒復(fù)合強化，進一步提高熱導率的同時，降低其熱膨脹系數(shù)，從而使熱管理用金屬基復(fù)合材料進一步提高比熱導，促進輕量化領(lǐng)域應(yīng)用。
事實上，日本住友電工已提供SiCp/Mg復(fù)合材料熱管理產(chǎn)品，熱導率(230W/m·K)比SiCp/Al復(fù)合材料產(chǎn)品提高15%以上，同時密度可降低6%以上，從而比熱導率提高18%以上，對航天領(lǐng)域的輕量化設(shè)計而言有著特殊的重要意義。
總結(jié)
隨著半導體器件功率密度的不斷攀升，對熱管理材料熱導率提出了更高要求，具有超高熱導率的新一代封裝材料金屬/金剛石、金屬/石墨復(fù)材開始進入了人們的視野，產(chǎn)業(yè)化趨勢明朗。
近年來，以“碳金復(fù)材”為代表的高性能金屬基復(fù)合材料，正朝著高散熱性能、低熱膨脹、高強韌、超薄等方向快速發(fā)展，有望突破國家重大戰(zhàn)略需求如航天、電子通訊及器件等領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展中面臨的高功率密度電子器件散熱瓶頸問題。
電子封裝產(chǎn)業(yè)鏈結(jié)構(gòu)
隨著“碳中和、碳達峰”政策的進一步落地，寬禁帶半導體、化合物半導體將迎來需求的爆發(fā)，相關(guān)器件將向高性能、低功耗方向快速發(fā)展；同時隨著國際形勢的不斷變化，以及對太空探索的進一步推進，國防與航天等領(lǐng)域?qū)ζ骷阅軐⑻岢龈咭蟆Ｎ磥頂?shù)年，高熱導率金屬基復(fù)合材料將迎來黃金發(fā)展期，真正迎來大規(guī)模的產(chǎn)業(yè)化。
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