5G风口下的“超高导热”材料——高导热金属基复合材料（一）
近年来，热点问题持续升温！
2019对于导热产品来说是个大年！随着工信部发放5G商用牌照，宣告我国正式进入5G商用时代，这是一次通信技术的升级，更是一场覆盖众多产业的创新革命。5G科技风口下，带给我们的不仅是高于4G数百倍的速度，无人驾驶、电子医疗、物联网、智能制造等诸多产业的全面升级；同时，随着5G通讯技术的迅猛发展，5G芯片集成电路密度不断增加，器件性能不断提高，散热问题成了迫切解决的问题和行业热点，对散热新材料也提出了更高性能的要求！
超高导热材料的爆发
于是，超高导热材料的随之爆发，引起学术、产业研究热潮！其中，高导热金属基复合材料结合了金属材料和无机非金属材料的性能，表现出高热导率、高强度、低密度和热膨胀系数可调等综合优势，有望解决未来高性能电子器件的热管理难题，未来10年或可大规模应用于电力电子、微波通信、轨道交通和航空航天等领域。
图 1：常用热管理材料热导率-热膨胀系数分布（图片来源：1674－3962( 2018) 12－0994－08 ）
电子封装对热管理材料性能的总体要求
传统的应用于电子封装领域的导热材料主要包括Al2O3、W/Cu、Mo/Cu、Invar合金、Kovar合金和AlN等，这些材料由于导热率低或热膨胀系数高等原因已不能满足应用要求。对其正常工作效率和使用寿命构成巨大威胁 ， 尤其是以高功率的绝缘栅双极型晶体管( IGBT) 、微波、电磁、光电等器件为典型应用的高科技技术领域和以有源相控阵雷达、高能固体激光器等为典型应用的国防技术领域的迫切应用需求。
表1：常用电子封装材料的热物理性能
电子封装对热管理材料性能的总体要求包括:
① 热膨胀系数( CTE) 与半导体材料( 硅､砷化镓､氮化镓) 匹配或接近: 减小与半导体之间的热应力, 避免热应力失效;
② 高热导率: 能将半导体产生的热量及时均匀化并散除到环境中;
③ 足够的强度､刚度和韧性: 对半导体和器件起到良好的支撑和保护作用;
④ 高气密性: 抵御外部高温､高湿､腐蚀或交变条件等有害环境, 构筑高可靠性工作空间;
⑤ 成型性与表面控制: 易加工成型或可近终成形, 并满足表面质量控制要求( 镀金､粗糙度､平整度等) ;
⑥ 轻质化: 密度尽可能低,利于器件的结构轻量化设计;
⑦ 其他特殊要求: 如功能特性要求( 电磁 /射频 /辐射屏蔽､导电 /绝缘等) , 成本控制与竞争性要求( 成品率高､适于批量生产､价格低等) ｡
金属基复材助力新一代热管理方案
金属基复合材料（Metal Matrix Composites，MMC）是以具有较高导热率的金属为基体，具有较高导热率的金属基体的无机非金属的纤维、晶须、颗粒或纳米颗粒等为增强体，经复合而成的新材料，是现代最具竞争优势的新型热管理材料。
铝、铜、镁因其相对较高的热导率、较低的密度以及优异的加工性，目前已经成为热管理用金属基复材的主流基体，常用的增强相主要包括增强体主要是各种形式的碳材料 ( 碳纤维、热解石墨、金刚石颗粒) 、碳化硅颗粒、硅颗粒等。
（1）金属基复合材料的制备方法
针对金属基复合材料的制备方法已经形成了多种体系，包括固相法、液相法、气态法、原 位 生 成 法 等（如 图 3所 示）。其中，放电等离子烧结法（SPS）是将金属和增强体粉末混合、压制后，施加脉冲电流产生等离子体进行加热烧结的制备方法，属于粉末冶金法的一种，具有快速、组织结构可控、节能环保等优势 ；
原位生成法是利用液态金属和金属盐在高温下原位生成陶瓷增强体的制备方法，具有界面结合良好､增强体尺寸可调､复合材料韧性高等诸多优势，但增强体体积分数一般不超过 10% ；
搅拌铸造法是将增强体加入熔融态或者半熔融态的金属中，借助机械搅拌等方式使增强体均匀分散并随后凝固成型的方法，其具有低成本､工艺简单的优势，但增强体体积分数一般不超过 20% ；
气相沉积法是将金属/前驱体粉末经过化学气相沉积或物理气相沉积过程形成金属/增强体粉末，然后通过粉末冶金成型的方法，结合了原位合成法和粉末冶金法的优势｡
图2：金属基复合材料制备方法
与其他金属基复合材料相比，“碳金复材”中碳材料与金属基体的浸润性较差，若制备方法不当得到的复合材料的热导率反而低于金属基体本身｡国内外研制“碳金复材”时，多采用压力浸渗法，旨在获得更强的界面结合强度｡压力浸渗法是指通过施加压力(真空压力或自排气压力)，突破增强体的表面张力将金属液体渗透进增强体预制件中，然后凝固成型的方法，其具有适用性高､界面强度高和可定制性高的优势，增强体的体积分数通常可达到 50%~80%｡该方法应 用 于“碳 金 复 材”，易 于 获 得 高 强度､高导热､低膨胀等特性的静静成型产品，可免于后续的复杂加工过程，可广泛应用于电子封装和航空航天等领域的散热器件｡
（2）影响金属基复合材料导热性能的主要因素
增强体的物性 ( 种类、含量、尺寸) 、金属基体的物性( 种类、纯度) 、增强体/基体的复合界面热导及增强体在基体中的空间分布是主要影响金属基复合材料导热性能的因素。
其中，复合界面始终是决定金属基复合材料导热性能的关键因素。纳米尺度界面改性设计可能是未来进一步提高金属基复合材料热导率的一个重要途径，例如，对于高体积分数( ＞60%) 金刚石增强金属基复合材料而言，合金基体本征热导率对复合材料性能影响越来越小。
（3）铝基复合材料
铝基复合材料在金属基复合材料中发展最成熟， 主要包括硅 /铝( Sip /Al) 、碳纤维 /铝 ( Cf/Al) 、碳化硅/铝( SiCp /Al) 、金刚石/铝 ( Diamond/Al) 等， 不仅比强度、比刚度高，而且导热性能好、热膨胀系数可调、密度低，在航空航天、交通运输及其他移动系统等结构轻量化应用领域极具竞争优势，尤其是 Sip /Al 和 SiCp /Al 复合材料在国内外已得到广泛应用。
Diamond /Al 复合材料在保持低热膨胀系数、低密度和各向同性前提下， 与 Sip /Al、SiCp /Al 复合材料相比，热导率可提高 1～ 2 倍( ≥400 W /( m·K) ) ， 是国内外竞相研发的新型热管理材料 ; 其劣势在于机械加工性极差，虽可采用水刀或激光切割加工， 但加工成本极高，产品一般为近终成形。Diamond/Al 复合材料制备方法主要有液相浸渗和粉末冶金两种，前者制备过程中金刚石与铝基体易发生化学反应生成 Al4C3反应产物，通常需进行界面改性处理，而后者对模具与设备要求高，因而制备成本偏高。
目前， 国外 Diamond /Al 复合材料热管理产品生产企业主要集中在奥地利、美国和日本，包括：奥地利的ＲHP Technology、PLANSEE、美国 NANO Materials International Corporation ( NMIC) 、Advanced Diamond Solutions( ADS) 及日本 DENKA 电化株氏会社等。
国内提供 Diamond /Al 复合材料热管理产品的企业还很少，主要有江苏凯讯新材料有限公司等，研究团队主要有中南大学、北京科技大学、湖南科技大学、哈尔滨工业大学、上海交通大学、***公司第十三研究所、东南大学……
（4）铜基复合材料
纯铜导电性好，热导率高(385～400W/(m·K))，约为纯铝的1.7倍，CTE为17×10-6/K，也低于纯铝(23×10-6/K)。与铝基复合材料相比，铜基复合材料只需添加更少量增强体，热膨胀系数即可与半导体相匹配，并易于获得更高热导率。更为重要的是，铜基复合材料不仅可集成高导热、低膨胀系数以满足热管理功能特性，还具有良好的耐热、耐蚀与化学稳定性，可在更大程度上满足高温、腐蚀环境等极端服役条件的要求，如核电工程、酸碱及干湿冷热交替的大气环境等。因此，在密度非第一考虑要素时，铜基复合材料往往是先进热管理材料的理想选择，尤其是金刚石/钢(Diamond/Cu)复合材料，近年来已发展成为金属基复合材料的研究热点之一。
然而，铜密度高，且与增强体之间存在界面结合和润湿性问题，严重阻碍了其性能提升与热管理应用，目前已得到研究者的广泛关注。
国外对Diamond/Cu复合材料制备技术研究和产业化发展起步较早。早在1995年，美国Lawrence Livemore国家实验室与Sun Microsystems公司就合作开发了Diamond/Cu复合材料，取名为Dymalloy，其热导率达到420W/(m·K)，25～200℃时的热膨胀系数为(5.48～6.50)×10-6/K，与GaAs、Si的热膨胀系数相匹配，作为多芯模块(MCM)基板使用，但其制备工艺复杂，成本极高。
2000年以后，工业发达国家特别是日本对Diamond/Cu复合材料做了大量研究，如日本住友电工(SEI)、日本通产省工业技术院(NIAIST)、大阪大学等。
早在2002年6月，日本住友电工(SEI)即开发出热导率为500~550W/(m·K)，CTE为(6~6.5)×10-6/K的Diamond/Cu复合材料，取名为Diamond-Metal-Composite for Heat Sink(DMCH)。
据报道，美国ADS开发了两代Diamond/Cu复合材料，第二代复合材料的热导率甚至高达1200W/(m·K)，3倍于铜的热导率，产品直径可达60mm，厚度为1.5～3.0mm，2003年即开始向美国苹果、诺斯洛普·格鲁门(世界最大雷达制造商、第三大军工生产商)、霍尼韦尔等大公司提供Diamond/Cu复合材料产品作为微芯片封装基板与热沉，曾一度是Diamond/Cu复合材料产品的神话企业；但目前ADS运营状态尚不清楚，企业主页已无法正常浏览。
国内北京科技大学在Diamond/Cu复合材料制备研究方面做了大量工作，北京有色金属研究总院、上海交通大学、哈尔滨工业大学、中南大学、湖南大学等高校和科研院所也开展了相关研究，但都以实验室或小批量产品供货为主，尚没有形成稳定的市场化商品。
（5）轻质镁基复合材料
与Al，Cu相比，Mg具有更低的密度(～1.74g/cm3)，但其热导率也可达到150W/(m·K)，尤其通过高导热碳纤维、金刚石颗粒复合强化，进一步提高热导率的同时，降低其热膨胀系数(25×10-6/K)，从而使热管理用金属基复合材料进一步提高比热导，促进轻量化领域应用。
事实上，日本住友电工已提供SiCp/Mg复合材料热管理产品，热导率(230W/(m·K))比SiCp/Al复合材料产品提高15%以上，同时密度可降低6%以上(小于2.8g/cm3)，从而比热导率提高18%以上，对航天领域“克克计较”的轻量化设计而言有着特殊的重要意义。同时，热管理用新型镁基复合材料正逐渐引起科学家们的兴趣。
特别地，2015年热管理用金属基复合材料专家、西班牙阿利坎特大学报道了采用气体压力液相浸渗制备的体积分数61%～76%的金刚石/镁(Diamond/Mg)复合材料，热导率高达700W/(m·K)，密度为3.03g/cm3，比相同导热性能的Diamond/Al复合材料降低～8%，拉开了热管理用高热导率镁基复合材料的研究序幕。2018年又报道了以Diamond/Mg复合材料为骨架的开孔泡沫材料，密度仅1.19g/cm3，热导率高达82W/(m·K)，可用于流体散热体系的高导热、轻量化选材。
市场空间广阔，高功率密度器件热管理需求强劲
随着半导体器件功率密度的不断攀升，对热管理材料热导率提出了更高要求，具有超高热导率的第4代封装材料金属/金刚石、金属/石墨复材开始进入了人们的视野，产业化趋势明朗。
近年来，以“碳金复材”为代表的高性能金属基复合材料，正朝着高散热性能、低热膨胀、高强韧、超薄等方向快速发展，有望突破国家重大战略需求如航天、电子通讯及器件等领域的技术发展中面临的高功率密度电子器件散热瓶颈问题。
图3：电子封装产业链结构
尤其是宽禁带半导体器件、高功率激光器、高功率LED、雷达T R组件等高功率密度器件，对封装材料的导热速率和热膨胀特性有着很高的要求，正成为高性能金属基复合材料发展的主要驱动力。在全球范围内，业界掀起了一股研究“碳金复材”的热潮。
例如，欧洲地平线2020项目“GreenDiamond”旨在利用金刚石超宽禁带半导体开发下一代功率器件，该项目正寻求采用Cu/Dia金属基复材解决金刚石功率器件发热量大的问题 ；日本富士电机采用更加轻量化的Mg/SiC制作IGBT模块的金属基板，旨在降低器件故障率、提升产品可靠性 ；台湾省工业技术研究院研发出石墨体积分数高达80%、热导率高达 550W/（m·K）（石墨平面方向）的铝石墨复合材料，可应用于 3C散热和封装用housing等领域。
根据日本富士经济2019年11月发布的《散热材料的全球市场调查》预测，2023年仅汽车（包括新能源汽车、自动驾驶）和5G通信领域就将带来10亿美元量级的散热基板市场，汽车动力模块及LED大灯将成为散热基板增速最快的领域。未来5～10年，随着第3代半导体器件的大规模应用，以及轨道交通、航空航天、国防军事等领域对热管理需求的不断提升，高性能金属基复合材料及器件的市场规模将迅速达到百亿人民币量级。
虽然我国在Diamond/Cu复合材料的研究起步略晚、尤其产业化发展相对落后，但相关部门已经重视基础研究与核心技术研发布局。
依据《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006－2020年)》，2017年国家重点研发计划设立了“战略性先进电子材料”重点专项，针对高功率密度电子器件散热的瓶颈问题，专门开展新型高效导热基板材料的制备与性能调控研究，其中设立的一个课题即为超高导热Diamond/Cu复合材料产品研制，目标热导率不低于800W/(m·K)(比纯铜高1倍)，热膨胀系数不高于5.5×10-6/K(与第三代半导体GaN完全匹配)，并通过与其他热管理研究成果相结合，预期实现高频瞬间器件热点温度、多维电子器件热点温度、高功率(≥1000W/cm2)热点处温度降低40～80℃，为新型基板材料的工程应用及第三代半导体器件高性能热管理设计提供参考依据和技术方案。
据文献报道，通过界面改性设计，俄罗斯圣彼得堡国立技术大学、北京科技大学等采用液相浸渗方法制备的小尺寸(Φ5mm×24mm、Φ10mm×3mm) Diamond/Cu复合材料热导率已超过900W/(m·K)，虽然目前绝大部分研究报道的小试样热导率仍低于750W/(m·K)。热导率不低于800W/(m·K)的Diamond/Cu复合材料产品的成功试制仍充满了技术挑战。
竞争格局初成，未来产业机遇可期
目前，国内专门从事热管理用金属基复合材料研发的机构数量较多，包括北京科技大学、哈尔滨工业大学、国防科技大学、中南大学、北方工业大学和上海交通大学等高校，北京有色金属研究总院、钢铁研究总院、中科院金属所等科研院所，以及湖南浩威特科技发展有限公司、北京宝航新材料有限公司等产业化公司。
整体上看，上述研发单位均处于起步阶段或者早期发展阶段，一般为产业链中游企业做配套，出货量仍较小。此外，上述单位具备量产/生产能力的产品主要为Al/SiC，但在热导率更高的碳/金属复合材料方面鲜有量产/生产的报道。
随着“碳中和、碳达峰”政策的进一步落地，宽禁带半导体、化合物半导体将迎来需求的爆发，相关器件将向高性能、低功耗方向快速发展；随着国际形势的不断变化，以及对太空探索的进一步推进，国防与航天等领域对器件性能将提出更高要求。未来数年，高热导率金属基复合材料将迎来黄金发展期，真正迎来大规模的产业化。
行业活动
基于此，2021年11月18日，由DT新材料&中国超硬材料网联合主办的第六届国际碳材料大会暨产业展览会——金刚石论坛将在上海跨国采购会展中心拉开帷幕。本届论坛设有内部研讨会、主题报告、特色展区，围绕超精密加工技术与高端制品、高功率器件与碳基散热解决方案、半导体前沿应用等展开话题讨论，探索金刚石应用的无限可能！
金刚石论坛
高功率器件与碳基散热解决方案
1、大尺寸高质量CVD金刚石膜制备与散热应用
2、高导热金属基复合材料的研究与应用
3、金刚石和SiC衬底散热技术
4、金刚石热沉材料界面改性与处理
5、金刚石热沉与芯片焊接工艺研究
6、金刚石在大功率半导体激光器中的应用
7、碳基射频电子器件研究进展
8、金刚石在大功率微波射频器件及 5G 高功率芯片中的应用
9、CVD金刚石热沉封装高功率半导体激光器
10、金刚石在电子封装和相变储热领域的研究进展
11、金刚石和SiC衬底散热技术在GaN的中的应用
……
扫码，了解详情~
参考文献：
1、《新一代高导热金属基复合材料界面热导研究进展》，DOI:10.11896/j. issn.1005-023X.2017.07.011
2、《高性能金属基复合材料迎来发展新机遇》 ，DOI:10.19599/j.issn.1008-892x.2021.03.009
3、《金刚石/铝基复合材料的性能影响因素研究 ，DOI:1001-3814(2021)14-0068-07
4、《铜－硼 /金刚石复合材料翅片热沉散热研究》，DOI: 10.14158/j. cnki. 1001-3814. 20184041
5、《碳基高导热材料及其在航天器上的应用 》，
https://kns.cnki.net/kcms/detail/11.1859.v.20210527.1615.006.html