在人工智能时代，电子器件正逐渐朝着小型化和高度集成化方向发展，设备运行速度的加快以及元器件的高度集成，使得散热成为当下阻碍电子技术发展的一大问题。传统的金属、陶瓷以及高分子材料等单一组分封装材料如今较难满足复杂的环境状况，因此寻找并使用导热率高的新型电子封装材料，是解决当前散热问题最直接、有效的办法。金属基复合封装材料因具有良好的导热性能、可调的热膨胀系数和良好的力学性能，在近几年受到广泛的关注。接下来，小编将为大家介绍几种常见的金属基复合封装材料及其相关应用。

电子封装芯片示意图（图源：文献2）

金属基复合封装材料

金属基复合封装材料是在传统的金属散热材料中加入低密度、低膨胀的增强相，综合基体和增强相各自的性能，得到的高导热、低膨胀复合材料。相较传统的单一电子封装材料，金属基复合型封装材料可以通过改变增强相的种类、含量或金属基体中的合金元素、含量、工艺以有效调节复合材料的各项性能，从而达到电子封装材料的综合性能要求；它可以制备出低热膨胀系数的复合材料，从而与电子器件材料的热膨胀系数相匹配，减少因温度变化引起的应力和变形，提高封装的可靠性和寿命；金属的价格相对便宜，材料制造方式比较灵活，可以直接成型，避免加工过程中的材料损耗以及昂贵的加工费用；金属基体通常具有很高的热导率，有助于快速传导和散热，帮助电子元器件在稳定的环境下运作；它通常具有较高的强度和模量，以提供必要的机械支撑，保护内部电子元器件免受外部物理冲击和振动的影响。金属基复合材料根据基体可以划分为铝、铜、镁、锌基复合材料，其中以铝和铜为基体的高导热金属基复合材料在电子封装领域应用最为广泛。

几种高导热或低膨胀材料的性能（图源：文献6）

铝基复合封装材料

铝基复合封装材料因具有良好的导热性能、低密度、高比强等优点，成为人们重点关注的金属基复合封装材料，它通常采用碳化硅、金刚石、硅作为增强相。

应用：

（1）碳化硅/铝复合封装材料具有较高的导热率，可以及时散热，提升器件的性能及可靠性；它的热膨胀系数可调，能够与半导体芯片和陶瓷基片良好匹配，防止疲劳失效；它具有良好的抗震性和耐磨性，能够适应复杂的环境，有效帮助电子元器件的运行。其导热性能会随碳化硅颗粒尺寸的增大而增大，但随之出现的是碳化硅颗粒团聚，材料的硬度、孔隙率、弯曲强度下降的问题，如何有效平衡碳化硅颗粒对复合材料性能的影响是当前其需要解决的一大问题。Xie等通过聚氨酯复制技术结合硅反应渗透和固态烧结，调控碳化硅泡沫陶瓷支柱的微观结构，成功构建了不同结构的3D-SiC网络骨架。然后，通过铝合金真空压力渗透到3D-SiC骨架中，制备了具有三维互穿网络结构的碳化硅/铝复合材料，表现出396W/m·K的高导热系数，8.03×10^-6K^-1的热膨胀系数以及272MPa的优异抗弯强度。

（2）金刚石是一种室温热导率可达600-2200W/m·K，热膨胀系数为0.8×10^-6K^-1且具有各向同性的优秀材料。金刚石/铝复合封装材料具有高热导率、低热膨胀系数等优点，其总体性能不仅由基体和增强相的性能决定，还会因不同的制备工艺而发生改变。目前，常用于制备金刚石/铝复合材料的方法有真空热压法、放电等离子烧结法、气压浸渗法、压力浸渗法。张海龙等采用气压浸渗法制备了不同尺寸的单峰和双峰金刚石颗粒增强铝基复合材料，双峰金刚石颗粒增强的金刚石/铝复合材料的热导率为1021W/m·K，热膨胀系数为3.4×10^-6K^-1。所制备的金刚石/铝复合材料为目前研究中最高值，主要原因在于金刚石/铝复合材料具有较高的界面热导率、较大的金刚石颗粒尺寸、较高的金刚石含量和较低的孔隙率。

不同组合的SiC/Al复合材料的热膨胀系数比较（图源：文献3）

铜基复合封装材料

纯铜具有优异的导电导热性能和良好的加工性能，通过与陶瓷或一些稳定单质增强体结合形成铜基复合封装材料，能够有效提升材料的刚度、强度、耐磨和耐腐蚀性，降低材料密度和膨胀系数，因而在电子封装材料领域越来越受人们关注。

应用：

（1）金刚石/铜复合封装材料作为第三代高导热材料，具有热导率高、热膨胀系数低的优点，加上目前人造金刚石粉价格的下降，使其具有非常广阔的市场应用前景。但是通常金刚石和铜的界面结合情况较差，即使熔融的铜也很难润湿金刚石，在不施加高压的情况下，复合材料界面空隙的存在会导致其热导率低于纯铜的热导率，因此界面问题已成为高导热金刚石/铜复合材料的研究重点。要想提高金刚石/铜复合材料的性能，关键在于优化界面结合、减小界面空隙、减小界面热阻。除了利用放电等离子烧结法、高温高压烧结法、真空热压烧结法、熔体浸渗法外，还可以在复合材料界面处引入与金刚石和铜均有较好结合能力的过渡层来进行界面调控。Wang等先用气相沉积法在金刚石表面镀覆一层Ti，将包覆Ti的金刚石颗粒与高纯度的铜颗粒混合球磨得到混合粉末，用放电等离子烧结法在930℃、30MPa的条件下烧结制备，得到的层状复合材料的理论导热系数约为446W/m·K。但是复合材料气孔较多，缺陷明显。

（2）碳纤维/铜复合封装材料作为新型的封装材料，其性能受碳纤维含量和分布的影响，具有明显的各向异性。研究发现，该复合材料纵向和横向的热导率以及热膨胀系数存在较大差异，沿纤维纵向的热导率显著高于横向的，而热膨胀系数明显低于横向的，因此该复合材料的应用有一定的限制性。Tao等采用电沉积法在沥青基碳纤维上涂覆铜，以铜涂层纤维为原料，通过热压制备的碳纤维/铜复合材料纵向热导率为221.9W/m·K，但横向热导率仅为42.3W/m·K。

金刚石体积分数对金刚石/铜复合材料热导率与热膨胀系数的影响（图源：文献4）

小结

在人工智能快速发展的时代，算力对封装材料提出了越来越高的要求，复合封装材料作为可以满足当前多样化应用场景需求的新型封装材料，还有非常广阔的研发和应用空间。

参考文献

1、盖晓晨.电子封装用金属基复合材料加工制造的研究进展[J].金属加工（冷加工）.

2、黑晓轩.电子封装用铝基复合材料的制备及性能研究[D].济南大学.

3、曹遴，陈彪，贾振东，等.铝基复合材料研究进展及其航空航天应用[J].铸造技术.

4、李明君，马永，高洁，等.高导热金刚石/铜复合材料研究进展[J].中国表面工程.

5、华志亮.金刚石/铝复合材料的界面微观结构和导热性能研究[D].中南林业科技大学.

6、李伟楠，杨涛，崔霞，等.铜基高导热低膨胀复合材料研究进展[J].热处理技术与装备.

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