炭/铝复合导热材料：轻质、高导热、热膨胀系数可调

日期：2022-02-24 浏览次数：次

导热(re)散热(re)材(cai)料(liao)(liao)对于半导体(ti)电子(zi)元器(qi)件(jian)的(de)(de)重要(yao)(yao)性(xing)想必不(bu)用多(duo)说，但除(chu)了散热(re)这(zhei)一指标外，半导体(ti)器(qi)件(jian)所在(zai)的(de)(de)平面方向需要(yao)(yao)与(yu)之匹(pi)配(pei)的(de)(de)热(re)膨胀系数这(zhei)一要(yao)(yao)求(qiu)也是(shi)不(bu)容忽视的(de)(de)，具备(bei)高导热(re)性(xing)能的(de)(de)材(cai)料(liao)(liao)通常(chang)有陶瓷、金属、复(fu)合材(cai)料(liao)(liao)等(deng)。许多(duo)情况下(xia)，单(dan)一材(cai)料(liao)(liao)很难同时满足器(qi)件(jian)性(xing)能设计需求(qiu)，而复(fu)合材(cai)料(liao)(liao)最大(da)的(de)(de)特点在(zai)于其功能和(he)性(xing)能的(de)(de)可设计性(xing)，合理选择复(fu)合材(cai)料(liao)(liao)各组元成分(fen)、含(han)量或改变复(fu)合材(cai)料(liao)(liao)的(de)(de)热(re)处理状态，可以实现复(fu)合材(cai)料(liao)(liao)性(xing)能调整。

半导体电子元器件

示例：铝/金(jin)(jin)刚石热(re)管(guan)理材(cai)料(liao)及其显(xian)微结构(gou)（表面化学(xue)镀镍金(jin)(jin)、化学(xue)镀或电(dian)镀金(jin)(jin)）:室温下(xia)热(re)膨胀系数(shu)低(di)至6ppm/K，与(yu)(yu)半导(dao)体(ti)材(cai)料(liao)兼容(rong)3.17g/cc的低(di)密度，与(yu)(yu)铜(tong)合(he)金(jin)(jin)散热(re)器(qi)(qi)(qi)相比，可降低(di)整(zheng)体(ti)系统重量。典型应用包括用于RF和微波晶体(ti)管(guan)以及RFIC和MMIC封装(zhuang)（尤(you)其是(shi)基于氮化镓-GaN的封装(zhuang)）的散热(re)器(qi)(qi)(qi)和散热(re)器(qi)(qi)(qi)、直流功率器(qi)(qi)(qi)件(jian)封装(zhuang)、激光二极(ji)管(guan)封装(zhuang)、光电(dian)子(zi)学(xue)的复杂(za)载体(ti)以及LED和检测(ce)器(qi)(qi)(qi)；资料(liao)来(lai)源：NANO MATERIALS INTERNATIONAL CORPORATION

碳材(cai)料是导(dao)热率较高的增强体(ti)候(hou)选材(cai)料，特别是以纯sp2和sp3杂化成键的碳材料（如石墨烯和金刚石）的热导率最高（原理解析见文末拓展阅读6）。以(yi)“碳”作为极具吸引力的增强体进一步提高金属基复合材料的导热性能被世界各国科学家争相研究，其中炭/铝复合材料由于其兼具轻质、高导热、热膨胀系数可调等优势，成为电子封装用散热材料的优选材料。

基于GaN的(de)射频器(qi)(qi)(qi)件正在(zai)推(tui)(tui)动现有(you)热管理材料(liao)的(de)门槛。高(gao)热通量和对(dui)与器(qi)(qi)(qi)件材料(liao)（例如(ru)碳化硅）紧密匹配的(de)低CTE散(san)热器(qi)(qi)(qi)材料(liao)的(de)需(xu)(xu)求推(tui)(tui)动了对(dui)更高(gao)导(dao)(dao)热率(>450W/mK)解决(jue)方案(an)的(de)需(xu)(xu)求。已开发(fa)出铝/金刚(gang)石来满足这一(yi)需(xu)(xu)求，其(qi)CTE为(wei)7.5ppm/K，热导(dao)(dao)率为(wei)500W/mK。

一、高(gao)导热碳增强相有哪些？

1.高定向(xiang)石墨

高取向性(xing)(xing)石墨(mo)(mo)主要有天然(ran)鳞片石墨(mo)(mo)、高定向热解石墨(mo)(mo)、高结晶(jing)度石墨(mo)(mo)膜/块和柔性(xing)(xing)石墨(mo)(mo)片等。

#天然(ran)鳞(lin)片石墨#具有较高(gao)的(de)(de)纯度、完美的(de)(de)晶(jing)体取向、高(gao)结晶(jing)度、较大(da)的(de)(de)微晶(jing)尺寸等特点(dian)，使得其成为制备高(gao)导热(re)(re)材料(liao)的(de)(de)重(zhong)要原料(liao)。天然鳞片石墨具有高(gao)导热(re)(re)的(de)(de)性能以(yi)及低(di)廉(lian)的(de)(de)成本。

天然鳞片石墨

天然鳞片石墨(mo)

#高定向(xiang)热(re)解石墨#（highly oriented pyrolytic graphite，HOPG）是热解炭或热解石墨在高温高压（3400~3600℃，10MPa）下处理得到的，形成沿石墨片层方向高度取向的多晶石墨。高定向热解石墨沿（002）基面方向热导率可达1600～2200W/（m·K），非常接近单晶石墨的性能。然而受制备工艺限制，成本较高，无法得到大规模应用。

#高结晶度(du)石(shi)墨膜#是将高度定(ding)向的(de)有(you)机(ji)高分子薄膜（如聚酰亚胺PI、聚苯撑亚乙烯基PPV和聚恶二唑POD）在惰性气体条件下高温石墨化（2800～3200℃），得到的产物具有与高定向热解石墨类似的高度择优取向和高石墨化度。这种高结晶度和完美的取向排列使其沿薄膜表面方向具备极高的导热系数（1400-2000W/（m·K）），使用PI膜进一步制备了高导热定向石墨块，热导率可高达400~800W/（m·K）。

美国杜邦聚酰亚胺薄膜

美国杜邦聚酰亚(ya)胺(an)薄膜(mo)

柔性石墨(mo)(mo)片是以(yi)鳞片石墨(mo)(mo)为原料，经过膨化(hua)制(zhi)备出(chu)蠕虫状膨胀(zhang)石墨(mo)(mo)，再(zai)将膨胀(zhang)石墨(mo)(mo)压延(yan)、压制(zhi)得到高导热(re)(re)柔性石墨(mo)(mo)薄(bo)片，其室温热(re)(re)导率(lv)为200～700W/（m·K）。山西煤化(hua)所采取压延(yan)法制(zhi)备的(de)高导热(re)(re)柔性石墨(mo)(mo)薄(bo)板热(re)(re)导率(lv)可达(da)630W/（m·K）。

卷状柔性石墨片及其生产线

卷状柔性石墨片及其生产线（NihonCarbon公司）

由(you)于(yu)这种材料无需(xu)高(gao)(gao)温(wen)石墨化处(chu)理、制(zhi)备工艺相对(dui)简单、制(zhi)备成本较低，因此不(bu)仅可(ke)以(yi)作为(wei)高(gao)(gao)温(wen)密(mi)封材料，还(hai)可(ke)以(yi)作为(wei)电子器件/热沉间的界面散热垫片。此外，较薄的石墨片具有一定的柔韧性，可以弯曲收卷存放，使其低成本工业化生产得到加速。可用于LED等电子器件的散热片，以及其它对材料强度要求较低的散热领域。

2.纳(na)米碳材料

高导热(re)(re)(re)方面(mian)应用的(de)(de)(de)纳(na)(na)(na)米(mi)(mi)(mi)碳(tan)材料(liao)主(zhu)要包括#石(shi)(shi)墨(mo)烯(xi)#和#碳(tan)纳(na)(na)(na)米(mi)(mi)(mi)管#两(liang)类。基于(yu)(yu)理(li)论研究计算石(shi)(shi)墨(mo)烯(xi)的(de)(de)(de)热(re)(re)(re)导率(lv)(lv)可达5150W/（m·K）以(yi)上(shang)。石(shi)(shi)墨(mo)烯(xi)极高的(de)(de)(de)热(re)(re)(re)导率(lv)(lv)使得它可以(yi)在热(re)(re)(re)管理(li)材料(liao)中(zhong)占有非常重(zhong)要的(de)(de)(de)位置，如作为(wei)增(zeng)强体可以(yi)大幅度提(ti)高聚合(he)物基复(fu)合(he)材料(liao)的(de)(de)(de)热(re)(re)(re)导率(lv)(lv)。不(bu)过，目前(qian)工业(ye)批(pi)量生产的(de)(de)(de)严格上(shang)并不(bu)属于(yu)(yu)石(shi)(shi)墨(mo)烯(xi)，甚至于(yu)(yu)低于(yu)(yu)10层的(de)(de)(de)勉强成(cheng)为(wei)石(shi)(shi)墨(mo)烯(xi)的(de)(de)(de)都比较少。碳(tan)纳(na)(na)(na)米(mi)(mi)(mi)管是(shi)由(you)石(shi)(shi)墨(mo)烯(xi)卷曲(qu)构成(cheng)的(de)(de)(de)中(zhong)空(kong)管状结构。沿着管壁(bi)方向(xiang)，呈现出(chu)类似石(shi)(shi)墨(mo)烯(xi)的(de)(de)(de)高导热(re)(re)(re)性能，碳(tan)纳(na)(na)(na)米(mi)(mi)(mi)管的(de)(de)(de)室温热(re)(re)(re)导率(lv)(lv)测量值可达3000W/（m·K）。对于(yu)(yu)碳(tan)纳(na)(na)(na)米(mi)(mi)(mi)管和石(shi)(shi)墨(mo)烯(xi)，作为(wei)纳(na)(na)(na)米(mi)(mi)(mi)级别(bie)的(de)(de)(de)高导热(re)(re)(re)增(zeng)强体候选材料(liao)，一(yi)个(ge)是(shi)要解决尺寸(cun)效应带来的(de)(de)(de)界面(mian)热(re)(re)(re)阻问(wen)题，另一(yi)个(ge)是(shi)解决定向(xiang)排布的(de)(de)(de)问(wen)题。

石墨烯→碳纳米管

3.碳纤维(wei)

高(gao)导热碳(tan)纤(xian)维(wei)主要是(shi)指沥青基碳(tan)纤(xian)维(wei)，其制备(bei)原料(liao)是(shi)中(zhong)间相(xiang)沥青。在制备(bei)过程中(zhong)，沥青呈现(xian)液晶状态，固有的分子定(ding)向(xiang)(xiang)排(pai)布(bu)被保留下来(lai)，沿纤(xian)维(wei)轴向(xiang)(xiang)石墨微晶发育(yu)完整（中(zhong)间相(xiang)沥青纤(xian)维(wei)具有高(gao)度石墨结构），微晶尺寸较(jiao)大并沿轴向(xiang)(xiang)高(gao)度择优取向(xiang)(xiang)，因此(ci)沿轴向(xiang)(xiang)具有较(jiao)高(gao)的热导率。

高导热碳纤维

通用级(ji)碳纤维（各(ge)向同性(xing)沥(li)青制备）和高性(xing)能沥(li)青纤维（中间相(xiang)沥(li)青制备）可(ke)以清晰的看到，中间相(xiang)沥(li)青纤维具有高度石墨结构(gou)

拓(tuo)展阅读：

（报告）

4.泡沫碳

高导热泡沫碳通(tong)过中(zhong)间相沥(li)青(qing)加工而成，具有(you)一定程(cheng)度(du)的各向(xiang)异性，不同方(fang)向(xiang)的热导率分布为40~180W/（m·K），密度为0.2~0.6g/cm3，这种泡沫结构的高导热来源于其高度石墨化的骨架结构，沿骨架壁结构的热导率可高达1800W/（m·K）以上，其特定泡沫结构可用于相变导热材料的高导热骨架。

5.金刚石(shi)和类金刚石(shi)薄膜(mo)

金(jin)刚石(shi)的(de)热(re)导(dao)率极高(gao)，最高(gao)可达2000W/（m·K）以(yi)上(shang)，并且具(ju)有极高(gao)的(de)硬度(du)以(yi)及良好的(de)绝缘性能，是非常(chang)理(li)想(xiang)的(de)电子元器(qi)件散热(re)材(cai)料，但同时(shi)也具(ju)有价格昂(ang)贵的(de)特(te)点。

颜值及智商都在线的金刚石

颜值及智商都在线的金(jin)刚石

二、高导热炭(tan)/铝复合材料案例

1）碳(tan)纤(xian)维/铝复合(he)材料。其导热性能影响因素主要为纤维(wei)种类、体积分(fen)数、金属(shu)基体、排(pai)布(bu)取(qu)向以(yi)及复(fu)(fu)合材料的界面。美国金属(shu)基复(fu)(fu)合材料公司（MMCC）采取短切碳纤维增强制备的铝基复合材料，热导率可达200W/（m·K）以上，并且其热膨胀系数与半导体材料的热膨胀系数相匹配。美国军工企业洛克菲勒马丁公司在海军电子系统中大量采用Cf/Al复合材料作为封装组件，达到减重效果。

2）金刚石(shi)/铝。金刚石/铝和金刚石/铜是第四代电子封装用金属基复合材料，其出现的主要原因是Si/Al和SiC/Al无法跟上高密度高功率电子器件更新换代的封装散热需求，可用于IGBT底座、电子器件散热板等方面。案例见开篇第一张图。

3）碳(tan)纳米(mi)管/铝(lv)（或铜）和石(shi)墨烯/铝(lv)（或铜）。碳纳(na)米(mi)管与石(shi)墨(mo)烯(xi)具有非(fei)常(chang)高的(de)(de)热(re)导率，由于其(qi)卓越的(de)(de)力(li)学和(he)物理性能(neng)，碳纳(na)米(mi)管和(he)石(shi)墨(mo)烯(xi)增强金属基(ji)复合材料已经引起了(le)广泛关注，目前的(de)(de)研究大多集中(zhong)在力(li)学性能(neng)报道方面。。纳(na)米(mi)碳在金属基(ji)体中(zhong)的(de)(de)分散和(he)定向排列一直是技术(shu)上的(de)(de)难(nan)点(dian)，使其(qi)一直停留在实验室阶段，无法走(zou)向大规模应用。

4）鳞片石墨/铝。德国弗劳恩霍夫(fu)研究所通过粉末(mo)冶金SPS放电等离子烧结技术，制备出了以钨、铁、铝和铜为基体的鳞片石墨增强金属复合材料，呈现出较高的热物理性能。制备的60vol%鳞片石墨增强铜基复合材料热导率可达到550W/（m·K）。

更(geng)多(duo)信息请看参考文献及网址：

1.高导热(re)炭(tan)/铝(lv)复合(he)材料的研究进(jin)展；北京空间飞行器总(zong)体设计部；李文君，吴(wu)琪，苗建(jian)印。

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粉体圈编辑：Alpha

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