于是，超高導(dǎo)熱材料的隨之爆發(fā)，引起學(xué)術(shù)、產(chǎn)業(yè)研究熱潮！其中，高導(dǎo)熱金屬基復(fù)合材料結(jié)合了金屬材料和無機(jī)非金屬材料的性能，表現(xiàn)出高熱導(dǎo)率、高強(qiáng)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。

圖 1：常用熱管理材料熱導(dǎo)率-熱膨脹系數(shù)分布（圖片來源：1674－3962( 2018) 12－0994－08 ）

傳統(tǒng)的應(yīng)用于電子封裝領(lǐng)域的導(dǎo)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(dǎo)熱率低或熱膨脹系數(shù)高等原因已不能滿足應(yīng)用要求。對其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?yán)走_(dá)、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。

表1：常用電子封裝材料的熱物理性能

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(dǎo)體材料( 硅?砷化鎵?氮化鎵) 匹配或接近: 減小與半導(dǎo)體之間的熱應(yīng)力, 避免熱應(yīng)力失效;

② 高熱導(dǎo)率: 能將半導(dǎo)體產(chǎn)生的熱量及時(shí)均勻化并散除到環(huán)境中;

③ 足夠的強(qiáng)度?剛度和韌性: 對半導(dǎo)體和器件起到良好的支撐和保護(hù)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形, 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(jì); 

⑦ 其他特殊要求: 如功能特性要求( 電磁 /射頻 /輻射屏蔽?導(dǎo)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(jià)格低等) ?

金屬基復(fù)合材料（Metal Matrix Composites，MMC）是以具有較高導(dǎo)熱率的金屬為基體，具有較高導(dǎo)熱率的金屬基體的無機(jī)非金屬的纖維、晶須、顆粒或納米顆粒等為增強(qiáng)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(dǎo)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(qiáng)相主要包括增強(qiáng)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（如 圖 3所 示）。其中，放電等離子燒結(jié)法（SPS）是將金屬和增強(qiáng)體粉末混合、壓制后，施加脈沖電流產(chǎn)生等離子體進(jìn)行加熱燒結(jié)的制備方法，屬于粉末冶金法的一種，具有快速、組織結(jié)構(gòu)可控、節(jié)能環(huán)保等優(yōu)勢 ；

原位生成法是利用液態(tài)金屬和金屬鹽在高溫下原位生成陶瓷增強(qiáng)體的制備方法，具有界面結(jié)合良好?增強(qiáng)體尺寸可調(diào)?復(fù)合材料韌性高等諸多優(yōu)勢，但增強(qiáng)體體積分?jǐn)?shù)一般不超過 10% ；

攪拌鑄造法是將增強(qiáng)體加入熔融態(tài)或者半熔融態(tài)的金屬中，借助機(jī)械攪拌等方式使增強(qiáng)體均勻分散并隨后凝固成型的方法，其具有低成本?工藝簡單的優(yōu)勢，但增強(qiáng)體體積分?jǐn)?shù)一般不超過 20% ；

氣相沉積法是將金屬/前驅(qū)體粉末經(jīng)過化學(xué)氣相沉積或物理氣相沉積過程形成金屬/增強(qiáng)體粉末，然后通過粉末冶金成型的方法，結(jié)合了原位合成法和粉末冶金法的優(yōu)勢?

圖2：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(dāng)?shù)玫降膹?fù)合材料的熱導(dǎo)率反而低于金屬基體本身?國內(nèi)外研制“碳金復(fù)材”時(shí)，多采用壓力浸滲法，旨在獲得更強(qiáng)的界面結(jié)合強(qiáng)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(qiáng)體的表面張力將金屬液體滲透進(jìn)增強(qiáng)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(qiáng)度高和可定制性高的優(yōu)勢，增強(qiáng)體的體積分?jǐn)?shù)通?？蛇_(dá)到 50%~80%?該方法應(yīng) 用 于“碳 金 復(fù) 材”，易 于 獲 得 高 強(qiáng)度?高導(dǎo)熱?低膨脹等特性的靜靜成型產(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(dǎo)熱性能的主要因素 

增強(qiáng)體的物性 ( 種類、含量、尺寸) 、金屬基體的物性( 種類、純度) 、增強(qiáng)體/基體的復(fù)合界面熱導(dǎo)及增強(qiáng)體在基體中的空間分布是主要影響金屬基復(fù)合材料導(dǎo)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(dǎo)熱性能的關(guān)鍵因素。納米尺度界面改性設(shè)計(jì)可能是未來進(jìn)一步提高金屬基復(fù)合材料熱導(dǎo)率的一個(gè)重要途徑，例如，對于高體積分?jǐn)?shù)( ＞60%) 金剛石增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料而言，合金基體本征熱導(dǎo)率對復(fù)合材料性能影響越來越小。

（3）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(qiáng)度、比剛度高，而且導(dǎo)熱性能好、熱膨脹系數(shù)可調(diào)、密度低，在航空航天、交通運(yùn)輸及其他移動(dòng)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。

Diamond /Al 復(fù)合材料在保持低熱膨脹系數(shù)、低密度和各向同性前提下， 與 Sip /Al、SiCp /Al 復(fù)合材料相比，熱導(dǎo)率可提高 1～ 2 倍( ≥400 W /( m·K) ) ， 是國內(nèi)外競相研發(fā)的新型熱管理材料 ; 其劣勢在于機(jī)械加工性極差，雖可采用水刀或激光切割加工， 但加工成本極高，產(chǎn)品一般為近終成形。Diamond/Al 復(fù)合材料制備方法主要有液相浸滲和粉末冶金兩種，前者制備過程中金剛石與鋁基體易發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成 Al4C3反應(yīng)產(chǎn)物，通常需進(jìn)行界面改性處理，而后者對模具與設(shè)備要求高，因而制備成本偏高。

目前， 國外 Diamond /Al 復(fù)合材料熱管理產(chǎn)品生產(chǎn)企業(yè)主要集中在奧地利、美國和日本，包括：奧地利的ＲHP Technology、PLANSEE、美國 NANO Materials International Corporation ( NMIC) 、Advanced Diamond Solutions( ADS) 及日本 DENKA 電化株氏會(huì)社等。

國內(nèi)提供 Diamond /Al 復(fù)合材料熱管理產(chǎn)品的企業(yè)還很少，主要有江蘇凱訊新材料有限公司等，研究團(tuán)隊(duì)主要有中南大學(xué)、北京科技大學(xué)、湖南科技大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、上海交通大學(xué)、***公司第十三研究所、東南大學(xué)……

（4）銅基復(fù)合材料 

純銅導(dǎo)電性好，熱導(dǎo)率高(385～400W/(m·K))，約為純鋁的1.7倍，CTE為17×10^-6/K，也低于純鋁(23×10^-6/K)。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(qiáng)體，熱膨脹系數(shù)即可與半導(dǎo)體相匹配，并易于獲得更高熱導(dǎo)率。更為重要的是，銅基復(fù)合材料不僅可集成高導(dǎo)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(xué)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(shí)，銅基復(fù)合材料往往是先進(jìn)熱管理材料的理想選擇，尤其是金剛石/鋼(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(diǎn)之一。

然而，銅密度高，且與增強(qiáng)體之間存在界面結(jié)合和潤濕性問題，嚴(yán)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。

國外對Diamond/Cu復(fù)合材料制備技術(shù)研究和產(chǎn)業(yè)化發(fā)展起步較早。早在1995年，美國Lawrence Livemore國家實(shí)驗(yàn)室與Sun Microsystems公司就合作開發(fā)了Diamond/Cu復(fù)合材料，取名為Dymalloy，其熱導(dǎo)率達(dá)到420W/(m·K)，25～200℃時(shí)的熱膨脹系數(shù)為(5.48～6.50)×10^-6/K，與GaAs、Si的熱膨脹系數(shù)相匹配，作為多芯模塊(MCM)基板使用，但其制備工藝復(fù)雜，成本極高。

2000年以后，工業(yè)發(fā)達(dá)國家特別是日本對Diamond/Cu復(fù)合材料做了大量研究，如日本住友電工(SEI)、日本通產(chǎn)省工業(yè)技術(shù)院(NIAIST)、大阪大學(xué)等。

早在2002年6月，日本住友電工(SEI)即開發(fā)出熱導(dǎo)率為500~550W/(m·K)，CTE為(6~6.5)×10^-6/K的Diamond/Cu復(fù)合材料，取名為Diamond-Metal-Composite for Heat Sink(DMCH)。

據(jù)報(bào)道，美國ADS開發(fā)了兩代Diamond/Cu復(fù)合材料，第二代復(fù)合材料的熱導(dǎo)率甚至高達(dá)1200W/(m·K)，3倍于銅的熱導(dǎo)率，產(chǎn)品直徑可達(dá)60mm，厚度為1.5～3.0mm，2003年即開始向美國蘋果、諾斯洛普·格魯門(世界最大雷達(dá)制造商、第三大軍工生產(chǎn)商)、霍尼韋爾等大公司提供Diamond/Cu復(fù)合材料產(chǎn)品作為微芯片封裝基板與熱沉，曾一度是Diamond/Cu復(fù)合材料產(chǎn)品的神話企業(yè)；但目前ADS運(yùn)營狀態(tài)尚不清楚，企業(yè)主頁已無法正常瀏覽。

國內(nèi)北京科技大學(xué)在Diamond/Cu復(fù)合材料制備研究方面做了大量工作，北京有色金屬研究總院、上海交通大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、中南大學(xué)、湖南大學(xué)等高校和科研院所也開展了相關(guān)研究，但都以實(shí)驗(yàn)室或小批量產(chǎn)品供貨為主，尚沒有形成穩(wěn)定的市場化商品。

（5）輕質(zhì)鎂基復(fù)合材料 

與Al，Cu相比，Mg具有更低的密度(～1.74g/cm³)，但其熱導(dǎo)率也可達(dá)到150W/(m·K)，尤其通過高導(dǎo)熱碳纖維、金剛石顆粒復(fù)合強(qiáng)化，進(jìn)一步提高熱導(dǎo)率的同時(shí)，降低其熱膨脹系數(shù)(25×10^-6/K)，從而使熱管理用金屬基復(fù)合材料進(jìn)一步提高比熱導(dǎo)，促進(jìn)輕量化領(lǐng)域應(yīng)用。

事實(shí)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(dǎo)率(230W/(m·K))比SiCp/Al復(fù)合材料產(chǎn)品提高15%以上，同時(shí)密度可降低6%以上(小于2.8g/cm³)，從而比熱導(dǎo)率提高18%以上，對航天領(lǐng)域“克克計(jì)較”的輕量化設(shè)計(jì)而言有著特殊的重要意義。同時(shí)，熱管理用新型鎂基復(fù)合材料正逐漸引起科學(xué)家們的興趣。

特別地，2015年熱管理用金屬基復(fù)合材料專家、西班牙阿利坎特大學(xué)報(bào)道了采用氣體壓力液相浸滲制備的體積分?jǐn)?shù)61%～76%的金剛石/鎂(Diamond/Mg)復(fù)合材料，熱導(dǎo)率高達(dá)700W/(m·K)，密度為3.03g/cm³，比相同導(dǎo)熱性能的Diamond/Al復(fù)合材料降低～8%，拉開了熱管理用高熱導(dǎo)率鎂基復(fù)合材料的研究序幕。2018年又報(bào)道了以Diamond/Mg復(fù)合材料為骨架的開孔泡沫材料，密度僅1.19g/cm³，熱導(dǎo)率高達(dá)82W/(m·K)，可用于流體散熱體系的高導(dǎo)熱、輕量化選材。

隨著半導(dǎo)體器件功率密度的不斷攀升，對熱管理材料熱導(dǎo)率提出了更高要求，具有超高熱導(dǎo)率的第4代封裝材料金屬/金剛石、金屬/石墨復(fù)材開始進(jìn)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(qiáng)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。

圖3：電子封裝產(chǎn)業(yè)鏈結(jié)構(gòu)

尤其是寬禁帶半導(dǎo)體器件、高功率激光器、高功率LED、雷達(dá)T R組件等高功率密度器件，對封裝材料的導(dǎo)熱速率和熱膨脹特性有著很高的要求，正成為高性能金屬基復(fù)合材料發(fā)展的主要驅(qū)動(dòng)力。在全球范圍內(nèi)，業(yè)界掀起了一股研究“碳金復(fù)材”的熱潮。

例如，歐洲地平線2020項(xiàng)目“GreenDiamond”旨在利用金剛石超寬禁帶半導(dǎo)體開發(fā)下一代功率器件，該項(xiàng)目正尋求采用Cu/Dia金屬基復(fù)材解決金剛石功率器件發(fā)熱量大的問題 ；日本富士電機(jī)采用更加輕量化的Mg/SiC制作IGBT模塊的金屬基板，旨在降低器件故障率、提升產(chǎn)品可靠性 ；臺(tái)灣省工業(yè)技術(shù)研究院研發(fā)出石墨體積分?jǐn)?shù)高達(dá)80%、熱導(dǎo)率高達(dá) 550W/（m·K）（石墨平面方向）的鋁石墨復(fù)合材料，可應(yīng)用于 3C散熱和封裝用housing等領(lǐng)域。

根據(jù)日本富士經(jīng)濟(jì)2019年11月發(fā)布的《散熱材料的全球市場調(diào)查》預(yù)測，2023年僅汽車（包括新能源汽車、自動(dòng)駕駛）和5G通信領(lǐng)域就將帶來10億美元量級的散熱基板市場，汽車動(dòng)力模塊及LED大燈將成為散熱基板增速最快的領(lǐng)域。未來5～10年，隨著第3代半導(dǎo)體器件的大規(guī)模應(yīng)用，以及軌道交通、航空航天、國防軍事等領(lǐng)域?qū)峁芾硇枨蟮牟粩嗵嵘咝阅芙饘倩鶑?fù)合材料及器件的市場規(guī)模將迅速達(dá)到百億人民幣量級。

雖然我國在Diamond/Cu復(fù)合材料的研究起步略晚、尤其產(chǎn)業(yè)化發(fā)展相對落后，但相關(guān)部門已經(jīng)重視基礎(chǔ)研究與核心技術(shù)研發(fā)布局。

依據(jù)《國家中長期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要(2006－2020年)》，2017年國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃設(shè)立了“戰(zhàn)略性先進(jìn)電子材料”重點(diǎn)專項(xiàng)，針對高功率密度電子器件散熱的瓶頸問題，專門開展新型高效導(dǎo)熱基板材料的制備與性能調(diào)控研究，其中設(shè)立的一個(gè)課題即為超高導(dǎo)熱Diamond/Cu復(fù)合材料產(chǎn)品研制，目標(biāo)熱導(dǎo)率不低于800W/(m·K)(比純銅高1倍)，熱膨脹系數(shù)不高于5.5×10^-6/K(與第三代半導(dǎo)體GaN完全匹配)，并通過與其他熱管理研究成果相結(jié)合，預(yù)期實(shí)現(xiàn)高頻瞬間器件熱點(diǎn)溫度、多維電子器件熱點(diǎn)溫度、高功率(≥1000W/cm²)熱點(diǎn)處溫度降低40～80℃，為新型基板材料的工程應(yīng)用及第三代半導(dǎo)體器件高性能熱管理設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)和技術(shù)方案。

據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道，通過界面改性設(shè)計(jì)，俄羅斯圣彼得堡國立技術(shù)大學(xué)、北京科技大學(xué)等采用液相浸滲方法制備的小尺寸(Φ5mm×24mm、Φ10mm×3mm) Diamond/Cu復(fù)合材料熱導(dǎo)率已超過900W/(m·K)，雖然目前絕大部分研究報(bào)道的小試樣熱導(dǎo)率仍低于750W/(m·K)。熱導(dǎo)率不低于800W/(m·K)的Diamond/Cu復(fù)合材料產(chǎn)品的成功試制仍充滿了技術(shù)挑戰(zhàn)。

目前，國內(nèi)專門從事熱管理用金屬基復(fù)合材料研發(fā)的機(jī)構(gòu)數(shù)量較多，包括北京科技大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、國防科技大學(xué)、中南大學(xué)、北方工業(yè)大學(xué)和上海交通大學(xué)等高校，北京有色金屬研究總院、鋼鐵研究總院、中科院金屬所等科研院所，以及湖南浩威特科技發(fā)展有限公司、北京寶航新材料有限公司等產(chǎn)業(yè)化公司。

整體上看，上述研發(fā)單位均處于起步階段或者早期發(fā)展階段，一般為產(chǎn)業(yè)鏈中游企業(yè)做配套，出貨量仍較小。此外，上述單位具備量產(chǎn)/生產(chǎn)能力的產(chǎn)品主要為Al/SiC，但在熱導(dǎo)率更高的碳/金屬復(fù)合材料方面鮮有量產(chǎn)/生產(chǎn)的報(bào)道。

隨著“碳中和、碳達(dá)峰”政策的進(jìn)一步落地，寬禁帶半導(dǎo)體、化合物半導(dǎo)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；隨著國際形勢的不斷變化，以及對太空探索的進(jìn)一步推進(jìn)，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(dǎo)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。

基于此，2021年11月18日，由DT新材料&中國超硬材料網(wǎng)聯(lián)合主辦的第六屆國際碳材料大會(huì)暨產(chǎn)業(yè)展覽會(huì)——金剛石論壇將在上?？鐕少彆?huì)展中心拉開帷幕。本屆論壇設(shè)有內(nèi)部研討會(huì)、主題報(bào)告、特色展區(qū)，圍繞超精密加工技術(shù)與高端制品、高功率器件與碳基散熱解決方案、半導(dǎo)體前沿應(yīng)用等展開話題討論，探索金剛石應(yīng)用的無限可能！

參考文獻(xiàn)：