专家观点｜新材料及其在航天的应用——新型轻量化金属基复合材料
作者简介：
付耀耀，博士，中国科学院宁波材料所智库中心主管，江厦智库《中国新基建与5G智慧城市》课题组专家。
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新型轻量化金属基复合材料及其航天应用
（一）概述
新型轻量化金属基复合材料为实现电子封装材料的规模产业化，满足半导体芯片集成度沿摩尔定律提高导致芯片发热量急剧升高、使用寿命下降以及电子封装的“轻薄微小”的发展需求。尤其在航空航天、微波集成电路、功率模块、军用射频系统芯片等封装方面作用极为凸现，成为航天电子产品封装材料应用开发的重要趋势，同时是为航天电子产品轻量化的重要发展之一。
（二）新型轻量化金属基复合材料的分类
新型轻量化金属基复合材料大致可分为以下五种：
（1）PMC（polymer matrix composites）：聚合矩阵复合材料。
（2）MMC（metal matrix composites）：包括各种金刚是粉末增强金属基复合材料等。SiC粉末增强铝材料（Al/SiC）是使用得最广的电子产品封装材料。其中Al/SiC微波封装，以及作为固体或流的印制板电路热沉被广泛应用于各种各样航天飞行器系统中；
（3）CCC（carbon/carbon composites）：陶瓷矩阵复合材料，强度硬度都较好，且不像单晶碳材料易脆，有些具有很高的导热率。这种材料现在应用于热处理领域还比较有限。
（4）CMC（ceramic matrix composites）：陶瓷矩阵复合材料。金刚石粉末强化碳化硅材料散热器现在被使用于IBM笔记本电脑。
（5）MCM（monolithic carbonaceous materials）：单晶碳材料。包括CVD金刚石膜，高导向热解石墨等，是极富有发展潜力的电子封装材料。
（三）金属基复合材料的航天应用
1. CVD金刚石膜
采用金刚石热沉（散热片）的大功率半导体激光器已经用于光通信。有人把天然Ⅱa型金刚石单晶热沉用于解决微波和激光二极管器件的散热问题，所用金刚石单晶热沉片的尺寸在1mm2左右，只能用于单个激光二极管器件。大面积高热导CVD金刚石膜的出现使其在高功率激光二极管阵列（LDA）和其它微电子和光电子器件的热管理应用成为可能。典型的激光二极管阵列是由200m宽600m长，间隔200m的交叉点，在10mm幅度上分布的激光二极管器件。需要长度为10mm的金刚石膜作导热片，这对于CVD金刚石膜技术来说是毫无问题的。高热导率金刚石膜制备方面，最高热导率水平已经达到18.5w/m.k，具备了制备大面积高热导率金刚石膜热沉晶片的能力。金刚石热沉的另一更加诱人的应用前景是用于正在发展之中的多芯片组装技术（MCM- Multi Chip Modules），这一技术的目标是把许多超大规模集成电路芯片以三维的方式紧密排列结合成为超小型的超高性能器件，而这些芯片的散热则是该技术的关键，显然金刚石膜是解决这一技术难题最理想的材料。
金刚石膜作为微电子器件的封装材料的优越性是显而易见的，这是因为金刚石的高热导率，高电阻率和与硅器件材料在热膨胀系数上的良好匹配性。任何一种现有的封装材料都无法和金刚石膜封装材料比美。
2.石墨铝
Alltek Company USA Inc引进两种先进的石墨铝复合封装材料，Algraph7和Algraph4。该产品应用与波音公司用它来加工Spaceway卫星通讯系统中K波段T/R模块的管壳。
石墨铝复合材料具有轻质低密度、热膨胀系数同砷化镓和氧化铝LTC相匹配、热传导性能高、加工和电镀方便。另外，具有其他多种类似应用：军用无线通讯系统、IGBT底座和其他功率半导体器件应用。和传统的碳硅铝合金材料相比，Algraph7更轻、热传导性能更高、生产成本更低。而且，由于是从库存板材直接加工而来且无需夹具成本，所以样品制作快捷、便宜。
Algraph是由带石墨纤维的铸铝加工而来，这些石墨纤维被排列在XY平面上已获得稳定的应力结构和基板相匹配的热膨胀系数。通过控制在铝中的石墨含量辈分比，Algraph的热膨胀系数可被定制成实际需要的值。
现同传统的封装材料相比，Algraph有特殊的材料特性。Algraph有2.46g/cm3的低密度，它远比其他所有传统的封装材料要轻，甚至碳硅铝材料。但是，Algraph的热传导性却要比除了纯铜外的其他大多数材料要好。同时，我们可以设定热膨胀系数和基板匹配，来减少热烈化。Algraph材料的使用能大大降低整体器件的重量和体积，同时带来可靠的性能和低结点温度。
3. 其他超高导热材料
碳-碳材料也是一种高导热材料，其密度为铜的1/4、高导热率（石墨单晶的理论导热系数可达到2400W/m.k）、热膨胀系数低、性能稳定（耐辐照、导热性能随外界环境的变化很小），是今后高导热材料的主要发展方向之一。
目前国外已研制出导热系数超过1000W/m.k的碳-碳导热材料。针对高功率电子器件所需的高效散热器材料和导热填充材料，开展了以掺杂再结晶石墨、高定向石墨、柔性石墨、中间镶嵌沥青泡沫石墨、碳-碳复合材料为代表的高导热碳基复合材料的研制工作。深入、系统的考察了易石墨化的有机物前驱体（如中间相沥青、聚酰亚胺薄膜）的热转化行为及微晶结构演变过程和排列方式，为揭示高导热碳材料所以来的物理结构基础奠定学科基础。通过采用热压工艺和催化石墨化技术，研制出多种类型的高导热碳材料，其中双组元（Ti Si）再结晶石墨的热导率达494W/（m.k），柔性石墨箔材料的热导率达610-650W/m.k，双向拉伸聚酰亚胺薄膜所制高定向石墨热导率达到823-975W/m.k。