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)(cai)(cai)料(liao)(liao)(liao)(liao)对(dui)于(yu)(yu)半(ban)导体(ti)(ti)电子元器件的重要(yao)性(xing)想必不(bu)用多说，但(dan)除了散热(re)这(zhei)(zhei)一指标外，半(ban)导体(ti)(ti)器件所在(zai)的平面(mian)方向需要(yao)与之匹配的热(re)膨胀系数这(zhei)(zhei)一要(yao)求(qiu)也是不(bu)容忽视(shi)的，具备高导热(re)性(xing)能(neng)的材(cai)(cai)(cai)料(liao)(liao)(liao)(liao)通常有(you)陶(tao)瓷(ci)、金属、复(fu)(fu)合(he)(he)材(cai)(cai)(cai)料(liao)(liao)(liao)(liao)等。许(xu)多情况(kuang)下，单一材(cai)(cai)(cai)料(liao)(liao)(liao)(liao)很难(nan)同时满足(zu)器件性(xing)能(neng)设计需求(qiu)，而复(fu)(fu)合(he)(he)材(cai)(cai)(cai)料(liao)(liao)(liao)(liao)最大的特(te)点在(zai)于(yu)(yu)其(qi)功(gong)能(neng)和(he)性(xing)能(neng)的可设计性(xing)，合(he)(he)理选择复(fu)(fu)合(he)(he)材(cai)(cai)(cai)料(liao)(liao)(liao)(liao)各(ge)组元成分(fen)、含量或改变复(fu)(fu)合(he)(he)材(cai)(cai)(cai)料(liao)(liao)(liao)(liao)的热(re)处理状态(tai)，可以实(shi)现复(fu)(fu)合(he)(he)材(cai)(cai)(cai)料(liao)(liao)(liao)(liao)性(xing)能(neng)调整(zheng)。

半导体电子元器件

示例(li)：铝(lv)/金(jin)刚石热(re)管理材料(liao)及其显微结构（表面(mian)化学镀(du)镍金(jin)、化学镀(du)或电镀(du)金(jin)）:室温(wen)下热(re)膨胀系数低至(zhi)6ppm/K，与(yu)半导体材料(liao)兼容3.17g/cc的低密(mi)度，与(yu)铜合金(jin)散(san)热(re)器相比，可降(jiang)低整体系统重量。典型(xing)应用包括用于RF和(he)微波(bo)晶体管以(yi)及RFIC和(he)MMIC封(feng)装(zhuang)（尤其是基于氮化镓-GaN的封(feng)装(zhuang)）的散(san)热(re)器和(he)散(san)热(re)器、直流功率(lv)器件封(feng)装(zhuang)、激光二(er)极管封(feng)装(zhuang)、光电子学的复杂载体以(yi)及LED和(he)检(jian)测器；资料(liao)来源：NANO MATERIALS INTERNATIONAL CORPORATION

碳材料(liao)是导热率较(jiao)高的增强体候(hou)选材料(liao)，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“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)件正在推(tui)动现有(you)热(re)(re)管理材(cai)料(liao)的(de)门槛。高热(re)(re)通量和对与(yu)器(qi)件材(cai)料(liao)（例如碳化(hua)硅）紧密(mi)匹配的(de)低CTE散热(re)(re)器(qi)材(cai)料(liao)的(de)需(xu)求推(tui)动了(le)对更高导热(re)(re)率(>450W/mK)解决方(fang)案的(de)需(xu)求。已(yi)开(kai)发(fa)出铝/金(jin)刚石来满足(zu)这一需(xu)求，其CTE为7.5ppm/K，热(re)(re)导率为500W/mK。

一、高导热碳增强(qiang)相有哪些？

1.高定向(xiang)石墨

高(gao)(gao)取向性(xing)石(shi)墨(mo)(mo)主要(yao)有天(tian)然鳞(lin)片石(shi)墨(mo)(mo)、高(gao)(gao)定(ding)向热解石(shi)墨(mo)(mo)、高(gao)(gao)结晶度石(shi)墨(mo)(mo)膜/块和柔性(xing)石(shi)墨(mo)(mo)片等。

#天(tian)然鳞(lin)片石墨(mo)#具有较高的(de)纯度、完美的(de)晶体取向、高结晶度、较大的(de)微晶尺寸等(deng)特点(dian)，使得(de)其成为制备高导热材料的(de)重要原(yuan)料。天(tian)然鳞片石墨具有高导热的(de)性能以及低廉的(de)成本。

天然鳞片石墨

天然(ran)鳞(lin)片石墨

#高(gao)定(ding)向热解石墨#（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。

#高结晶度石墨膜(mo)#是将(jiang)高度定向的有(you)机高分子薄膜（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(ju)酰亚胺薄膜

柔(rou)性(xing)(xing)石(shi)(shi)墨(mo)(mo)片是(shi)以鳞(lin)片石(shi)(shi)墨(mo)(mo)为(wei)(wei)原料(liao)，经过(guo)膨(peng)化制(zhi)备出蠕虫状膨(peng)胀石(shi)(shi)墨(mo)(mo)，再将膨(peng)胀石(shi)(shi)墨(mo)(mo)压(ya)延(yan)、压(ya)制(zhi)得到高(gao)导热(re)柔(rou)性(xing)(xing)石(shi)(shi)墨(mo)(mo)薄片，其室温(wen)热(re)导率为(wei)(wei)200～700W/（m·K）。山(shan)西(xi)煤化所(suo)采取压(ya)延(yan)法制(zhi)备的高(gao)导热(re)柔(rou)性(xing)(xing)石(shi)(shi)墨(mo)(mo)薄板(ban)热(re)导率可达630W/（m·K）。

卷状柔性石墨片及其生产线

卷状(zhuang)柔(rou)性石墨片及其生(sheng)产线（NihonCarbon公司）

由于这种材(cai)料(liao)无需高温(wen)(wen)石(shi)墨化处理(li)、制备工艺相对简单、制备成本较(jiao)低(di)，因此不仅可(ke)以(yi)作为高温(wen)(wen)密(mi)封材(cai)料(liao)，还可(ke)以(yi)作为电子器件/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(tan)材(cai)料

高(gao)导(dao)(dao)热(re)(re)方(fang)面(mian)应(ying)用的(de)纳(na)(na)米(mi)(mi)碳材(cai)料(liao)主要包括#石(shi)墨(mo)(mo)(mo)烯(xi)#和#碳纳(na)(na)米(mi)(mi)管(guan)#两类。基于理(li)论(lun)研(yan)究计算(suan)石(shi)墨(mo)(mo)(mo)烯(xi)的(de)热(re)(re)导(dao)(dao)率(lv)可达5150W/（m·K）以(yi)上(shang)(shang)。石(shi)墨(mo)(mo)(mo)烯(xi)极高(gao)的(de)热(re)(re)导(dao)(dao)率(lv)使得(de)它(ta)可以(yi)在热(re)(re)管(guan)理(li)材(cai)料(liao)中(zhong)占有非(fei)常重要的(de)位置，如作为增强(qiang)体(ti)(ti)可以(yi)大幅度提高(gao)聚合(he)物(wu)基复(fu)合(he)材(cai)料(liao)的(de)热(re)(re)导(dao)(dao)率(lv)。不(bu)过，目(mu)前工业批量生产的(de)严(yan)格上(shang)(shang)并(bing)不(bu)属于石(shi)墨(mo)(mo)(mo)烯(xi)，甚至(zhi)于低于10层的(de)勉强(qiang)成(cheng)为石(shi)墨(mo)(mo)(mo)烯(xi)的(de)都比较少。碳纳(na)(na)米(mi)(mi)管(guan)是(shi)由石(shi)墨(mo)(mo)(mo)烯(xi)卷曲(qu)构成(cheng)的(de)中(zhong)空管(guan)状结构。沿着管(guan)壁方(fang)向，呈(cheng)现出类似石(shi)墨(mo)(mo)(mo)烯(xi)的(de)高(gao)导(dao)(dao)热(re)(re)性能，碳纳(na)(na)米(mi)(mi)管(guan)的(de)室(shi)温(wen)热(re)(re)导(dao)(dao)率(lv)测量值可达3000W/（m·K）。对于碳纳(na)(na)米(mi)(mi)管(guan)和石(shi)墨(mo)(mo)(mo)烯(xi)，作为纳(na)(na)米(mi)(mi)级别(bie)的(de)高(gao)导(dao)(dao)热(re)(re)增强(qiang)体(ti)(ti)候选材(cai)料(liao)，一(yi)(yi)个是(shi)要解(jie)决(jue)尺寸效(xiao)应(ying)带来的(de)界面(mian)热(re)(re)阻问题(ti)(ti)，另一(yi)(yi)个是(shi)解(jie)决(jue)定(ding)向排布的(de)问题(ti)(ti)。

石墨烯→碳纳米管

3.碳纤维

高导(dao)热(re)碳(tan)纤(xian)维(wei)主(zhu)要是(shi)指(zhi)沥青(qing)基碳(tan)纤(xian)维(wei)，其制备原料是(shi)中间(jian)相(xiang)沥青(qing)。在(zai)制备过程中，沥青(qing)呈现液晶状态，固(gu)有(you)的(de)分子定向(xiang)(xiang)排布(bu)被保留下来(lai)，沿纤(xian)维(wei)轴(zhou)向(xiang)(xiang)石墨微晶发育完(wan)整（中间(jian)相(xiang)沥青(qing)纤(xian)维(wei)具有(you)高度(du)石墨结构），微晶尺寸(cun)较大并沿轴(zhou)向(xiang)(xiang)高度(du)择优(you)取向(xiang)(xiang)，因(yin)此沿轴(zhou)向(xiang)(xiang)具有(you)较高的(de)热(re)导(dao)率。

高导热碳纤维

通用级(ji)碳纤维(wei)（各(ge)向同性(xing)沥(li)(li)(li)青(qing)制备）和高(gao)性(xing)能沥(li)(li)(li)青(qing)纤维(wei)（中(zhong)间相沥(li)(li)(li)青(qing)制备）可以清(qing)晰(xi)的(de)看到，中(zhong)间相沥(li)(li)(li)青(qing)纤维(wei)具有(you)高(gao)度石墨结构

拓展(zhan)阅(yue)读(du)：

（报告(gao)）

4.泡沫碳

高导热泡(pao)沫碳通过中间(jian)相沥青加(jia)工而成，具有一定(ding)程(cheng)度的(de)(de)各向异性，不同方(fang)向的(de)(de)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(jin)刚(gang)石(shi)和类金(jin)刚(gang)石(shi)薄膜

金刚(gang)石的(de)热导(dao)率极(ji)高，最高可达(da)2000W/（m·K）以上，并且(qie)具(ju)有(you)极(ji)高的(de)硬度以及良好的(de)绝缘性能，是非(fei)常理想的(de)电子元器件散热材(cai)料，但同时也具(ju)有(you)价(jia)格昂贵的(de)特点。

颜值及智商都在线的金刚石

颜(yan)值(zhi)及(ji)智(zhi)商都在(zai)线的金刚石(shi)

二(er)、高导热(re)炭/铝复合材料案例

1）碳纤维/铝复合材(cai)料。其导(dao)热性能(neng)影(ying)响因素主要(yao)为纤(xian)维种类、体积分数、金属(shu)基体、排布取向以及(ji)复合材料的界面(mian)。美国金属(shu)基复合材料公司（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/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）碳纳米管/铝(lv)（或铜）和石墨(mo)烯/铝(lv)（或铜）。碳(tan)(tan)纳(na)米(mi)管(guan)(guan)与(yu)石墨烯具(ju)有非常高的(de)热导率，由于其卓越的(de)力学和(he)物理性(xing)能，碳(tan)(tan)纳(na)米(mi)管(guan)(guan)和(he)石墨烯增强金属(shu)基复合(he)材料已经引起了广泛关(guan)注(zhu)，目前的(de)研究大多集中在(zai)力学性(xing)能报道方(fang)面。。纳(na)米(mi)碳(tan)(tan)在(zai)金属(shu)基体中的(de)分散和(he)定向排(pai)列(lie)一直是技术上的(de)难点，使其一直停留在(zai)实验室阶段，无法走(zou)向大规模应用。

4）鳞片石墨(mo)/铝。德国弗劳(lao)恩霍夫研究所(suo)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）。

更多(duo)信息(xi)请看参(can)考文献及网址(zhi)：

1.高(gao)导(dao)热炭(tan)/铝复合材(cai)料的研究进展；北京(jing)空间飞行(xing)器总体(ti)设计部；李文君，吴琪(qi)，苗建印。

拓展阅读(du)：

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粉体(ti)圈编辑：Alpha

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