随着通讯技术的迭代升级，半导体器件的迅速发展，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。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。

常用热管理材料热导率-热膨胀系数分布

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，对电子器件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。

常用电子封装材料的热学性能

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、碳化硅等）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型，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）。

高导热金属基复合材料的制备

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，以具有较高导热率无机非金属的纤维、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。

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，以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、低膨胀等特性的近净成型产品，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。

常见的金属基复合材料

（1）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。

电子封装用SiCp/Al复合材料

（2）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，热膨胀系数也低于纯铝。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/铜(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。

C/Cu导热复合材料

（3）轻质镁基复合材料

与Al、Cu相比，Mg具有更低的密度，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，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，从而比热导率提高18%以上，对航天领域的轻量化设计而言有着特殊的重要意义。

总结

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，具有超高热导率的新一代封装材料金属/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。

电子封装产业链结构

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；同时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。

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