近年来，热点问题持续升温！2019对于导热产品来说是个大年！

时间：2022-09-10 17:03:33来源：网络整理

近年来，热点问题不断升温！

2019年是导热产品大年！随着工信部颁发5G商用牌照，宣告我国正式进入5G商用时代。这是一次通信技术的升级，是一场涵盖众多行业的创新革命。 5G技术给我们带来的不仅是比4G快上百倍的速度，更是无人驾驶、电子医疗、物联网、智能制造等诸多行业的全面升级；同时，随着5G通信技术的飞速发展，随着5G芯片集成电路密度的不断提高和器件性能的不断提升，散热问题已成为亟待解决的问题和行业热点。，对新型散热材料也提出了更高的性能要求！

超高导热材料的爆发

由此，超高导热材料的爆发引发了学术和工业研究的热潮！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特性，表现出高导热、高强度、低密度、热膨胀系数可调等综合优势，有望解决未来高性能电子设备的热管理。这是一个难题，未来10年可能在电力电子、微波通信、轨道交通、航空航天等领域得到大规模应用。

图1：常用热管理材料的导热系数-热膨胀系数分布（图片来源：1674－3962（2018) 12－0994－08）

电子封装中热管理材料性能的一般要求

用于电子封装的传统导热材料主要有Al2O3、W/Cu、Mo/Cu、因瓦合金、可伐合金和AlN等，这些材料已经不能满足应用要求。它对其正常工作效率和使用寿命构成巨大威胁，尤其是在以大功率绝缘栅双极晶体管（IGBT）、微波、电磁、光电等器件为典型应用和有源相控阵的高科技技术领域。雷达、高能固体激光器等是国防科技领域的迫切应用需求，具有典型应用。

表1：常用电子封装材料的热物理特性

电子封装中热管理材料性能的一般要求包括：

①热膨胀系数（CTE）与半导体材料（硅、砷化镓、氮化镓）匹配或接近：降低与半导体的热应力，避免热应力失效；

②高导热性：半导体产生的热量可以均匀化并及时散发到环境中；

③足够的强度、刚度和韧性：对半导体和器件有良好的支撑和保护作用；

④高气密性：可抵抗外界高温、高湿、腐蚀或交变条件等有害环境，构建高可靠性工作空间；

⑤成型性和表面控制：易于加工成型或近净成型，满足表面质量控制要求（镀金、粗糙度、平整度等）；

⑥轻量化：密度尽量低，有利于器件结构的轻量化设计；

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）、成本控制和竞争要求（高良率、适合量产、低价等） ) .

金属基复合材料助力新一代热管理解决方案

金属基复合材料（MMC）是一种高导热金属基体，以高导热金属基体的无机非金属纤维、晶须、颗粒或纳米颗粒为增强体，复合而成的一种新型材料，是一种现代最具竞争优势的新型热管理材料。

铝、铜和镁以其相对较高的导热率、低密度和优异的加工性能成为热管理金属基复合材料的主流基材。常用的增强相主要有增强材料，主要有各种形式的碳材料（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

金属基复合材料的制备已形成多种体系，包括固相法、液相法、气相法、原位生成法等（如图3所示）。其中，放电等离子烧结（SPS）是将金属和增强粉末混合并压制，然后施加脉冲电流产生等离子体加热烧结的制备方法。节能环保优势；

原位生成法是利用液态金属和金属盐在高温下原位生成陶瓷增强材料的制备方法。具有界面结合性好、增强体尺寸可调、复合材料韧性高等优点，但增强体的体积分数一般不超过10%；

搅拌铸造法是在熔融或半熔融金属中加入增强体，通过机械搅拌使增强体均匀分散，然后凝固成型的方法。具有成本低、工艺简单等优点，但增强体体积分数一般不超过20%；

气相沉积法是将金属/前体粉末通过化学气相沉积或物理气相沉积工艺形成金属/增强体粉末，然后通过粉末冶金形成的方法，结合了原位合成和粉末的优点冶金学。

图2：金属基复合材料的制备方法

与其他金属基复合材料相比，“碳金复合材料”中的碳材料与金属基体的润湿性较差。如果制备方法不当，复合材料的导热系数低于金属基体本身的导热系数。在“碳金复合材料”的情况下，多采用压渗法来获得更强的界面结合强度。压力渗透法是指施加压力（真空压力或自排气压力）以突破钢筋的表面张力，从而突破钢筋的表面张力。将液体渗入增强体预制件中再固化的方法具有适用性高、界面强度高、定制度高等优点，增强体的体积分数通常可以达到50%~80%。该方法应用于“碳金复合材料”，易于获得具有高强度、高导热、低膨胀等特点的静音成型产品，可避免后续复杂的加工过程，可广泛应用于电子封装和航空航天等领域的散热元件。

（2）影响金属基复合材料导热系数的主要因素

增强体的物理性能（类型、含量、尺寸）、金属基体的物理性能（类型、纯度）、增强体/基体复合界面的热导率以及增强体的空间分布基体是影响金属基复合材料的主要因素。导热系数。

其中，复合界面始终是决定金属基复合材料导热系数的关键因素。纳米级界面改性设计可能是未来进一步提高金属基复合材料导热性的重要途径。例如，对于体积分数高（>60%）的金刚石增强金属基复合材料，合金基体的固有热导率对复合材料性能的影响越来越小。

（3）铝基复合材料

铝基复合材料是最成熟的金属基复合材料，主要有硅/铝（Sip/Al）、碳纤维/铝（Cf/Al）、碳化硅/铝（SiCp/Al）、金刚石/铝（Diamond /Al)等，不仅比强度和比刚度高，而且导热性好，热膨胀系数可调，密度低。它是Sip/Al和SiCp/Al复合材料，已在国内外得到广泛应用。

金刚石/Al复合材料与Sip /Al和SiCp /Al复合材料相比，导热系数提高1～2倍（≥400 W/（m·K）），是国内研制的一种新型热管理材料，国外;其缺点是可加工性极差，虽然可以水射流或激光切割加工，但加工成本极高，产品一般为近净形。金刚石/铝复合材料的制备方法主要有液相渗透法和粉末冶金法。前者在制备过程中，金刚石与铝基体容易发生化学反应，形成Al4C3反应产物，通常需要进行界面改性处理，而后者对模具和设备有负面影响。要求高，准备成本高。

目前国外Diamond/Al复合热管理产品厂商主要集中在奥地利、美国和日本，包括：奥地利RHP Technology、PLANSEE、美国纳米材料国际公司（NMIC）、Advanced Diamond Solutions（ADS） ) 和日本 DENKA Denka Corporation 等。

国内提供金刚石/铝复合热管理产品的企业较少，主要有江苏凯迅新材料有限公司等。研究团队主要包括中南大学、北京科技大学、湖南科技大学科技、哈工大、上海交通大学、中国电子科技集团公司第十三研究所、东南大学……

（4）铜基复合材料

纯铜导电性好，导热系数高（385～400W/(m·K)），约为纯铝的1.7倍，CTE为17×10-6/ K，在纯铝中也很低（23×10-6/K）。与铝基复合材料相比，铜基复合材料只需添加较少量的增强材料，热膨胀系数即可与半导体相匹配，且易于获得更高的热导率。更重要的是，铜基复合材料不仅可以集高导热率和低膨胀系数满足热管理功能特性，而且具有良好的耐热性、耐腐蚀性和化学稳定性，可以满足高温和耐腐蚀的要求。在更大程度上。环境等极端使用条件的要求，如核电工程、酸碱、干湿冷热交替的大气环境等。因此，在不首先考虑密度的情况下，往往采用铜基复合材料。是先进热管理材料的理想选择，尤其是金刚石/钢（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。一个。

然而，铜的高密度以及与增强材料的界面结合和润湿性问题严重阻碍了其性能提升和热管理应用散热膏导热系数，受到了研究人员的广泛关注。

国外金刚石/铜复合材料的研究和产业化起步较早。早在1995年，美国劳伦斯利夫莫尔国家实验室就与Sun Microsystems合作开发了一种金刚石/铜复合材料，命名为Dymalloy，其导热系数达到420W/(m·K)，热膨胀在25~200 ℃。系数为(5.48～6.50)×10-6/K，与GaAs和Si的热膨胀系数相匹配，用作多核模块( MCM)基板，但其制备工艺复杂，成本极高。

2000年以后，工业发达国家，尤其是日本，对金刚石/铜复合材料进行了大量研究，如日本住友电工（SEI）、日本通商产业省（NIAIST）、大阪大学等.

早在2002年6月，日本住友电工(SEI)就开发出了500~550W/(m·K)的导热系数和(6~6.5)×10 -6 的CTE /K 金刚石/铜复合材料，命名为 Diamond-Metal-Composite for Heat Sink (DMCH)。

据悉，美国ADS公司已开发出两代Diamond/Cu复合材料。第二代复合材料的导热系数甚至高达1200W/(m·K)，是铜的3倍，产品直径可达60mm，厚度1.5～3.0mm，从2003年开始为美国苹果、诺斯罗普·格鲁曼（世界第一大雷达制造商、第三大军工制造商）、霍纽维尔等大公司提供金刚石/铜复合产品作为微芯片封装基板和散热水槽，曾经是金刚石/铜复合产品的神话公司；但目前ADS的运营状况不明，公司主页也无法正常浏览。 .

国内北京科技大学在金刚石/铜复合材料的制备方面做了大量工作。北京有色金属研究院、上海交通大学、哈尔滨工业大学、中南大学、湖南大学等高校和科研院所也开展了相关研究，但均以实验室或小批量供应为主，市场稳定主导商品尚未形成。

（5）轻质镁基复合材料

与Al、Cu相比，Mg的密度较低（~1.74g/cm3)，但其导热率也可以达到150W/(m·K)，尤其是高导热碳增强纤维和金刚石颗粒，进一步提高导热性，降低其热膨胀系数（25×10-6/K），使热管理用金属基复合材料进一步提高比导热率，促进轻量化领域的应用.

其实日本住友电工已经提供了SiCp/Mg复合热管理产品，导热系数（230W/(m·K)）比SiCp/Al复合产品高15%以上，而密度可以降低6%以上（小于2.8g/cm3)，使比热导率提高18%以上，对于航空航天领域的轻量化设计具有特殊意义同时，热管理用新型镁基复合材料正逐渐引起科学家们的兴趣。

特别是在 2015 年，一位热管理金属基复合材料专家和西班牙阿利坎特大学报道了一种通过气压制备体积分数为 61% 至 76% 的金刚石/镁 (Diamond/Mg) 复合材料液相渗透材料，热导率高达700W/(m·K)，密度3.03g/cm3，比金刚石/铝复合材料低~8%相同的热导率，开启热管理用的高导热镁。基体复合材料研究的序幕。 2018年报道了一种以Diamond/Mg复合材料为骨架的开孔泡沫材料，密度仅为1.19g/cm3，热导率高达82W/(m·K)，可用于流体散热系统的高导热性。 , 轻量化选材。

市场空间广阔，高功率密度器件热管理需求旺盛

随着半导体器件功率密度的不断提高，对热管理材料的导热率提出了更高的要求。具有超高导热性的第四代封装材料金属/金刚石和金属/石墨复合材料开始进入市场。产业化趋势明显。

近年来，以“碳金复合材料”为代表的高性能金属基复合材料向高散热性能、低热膨胀、高强韧性、超薄化方向快速发展，有望突破航空航天等国家重大战略需求，电子通信及器件领域技术发展面临的高功率密度电子器件散热瓶颈问题。

图3：电子封装产业链结构

尤其是宽禁带半导体器件、大功率激光器、大功率LED、雷达TR元件等高功率密度器件，对封装材料的热导率和热膨胀特性要求很高。材料发展的主要动力。在全球范围内，业界掀起了“碳金复合材料”的研究热潮。

例如，欧洲地平线 2020 项目“GreenDiamond”旨在开发使用金刚石超宽带隙半导体的下一代功率器件。该项目正在寻求使用Cu/Dia金属基复合材料来解决金刚石功率器件的高发热问题；日本富士电机使用更轻的 Mg/SiC 制作 IGBT 模块的金属基板，旨在降低器件故障率，提高产品可靠性；台湾工研院研发出石墨体积分数高达80%、导热系数高达550W/（m·K）（石墨平面方向）的铝石墨复合材料，可用于3C散热及封装外壳及其他字段。

根据日本富士经济在2019年11月发布的《全球散热材料市场调查》预测，2023年仅汽车（包括新能源汽车、自动驾驶）和5G通信领域将带来销售额约为 10 亿美元。在散热基板市场，汽车功率模块和LED大灯将成为散热基板增长最快的领域。未来5到10年，随着第三代半导体器件的大规模应用以及轨道交通、航空航天、国防军工等领域热管理要求的不断提高，高性能半导体器件的市场规模将不断扩大。金属基复合材料和器件将迅速增加。达到数百亿人民币的量级。

虽然我国对金刚石/铜复合材料的研究起步较晚，特别是产业化发展相对落后，但相关部门已经重视基础研究和核心技术研发布局。

根据《国家中长期科技发展规划纲要（2006-2020年）》，2017年国家重点研发计划设立“战略性先进电子材料”重点项目，旨在高功率密度电子器件散热瓶颈问题，专业从事新型高效导热基板材料的制备及性能调控研究。设立的课题之一是开发超高导热金刚石/铜复合材料，目标导热系数不低于800W/(m·K)（比纯度比铜高1倍），热膨胀系数不高于5.5×10-6/K（与第三代半导体GaN完全匹配），并结合其他热管理研究成果，有望实现高频瞬时器件热点温度，多维电子器件热点温度，大功率（≥1000W/cm2)热点温度降低40-80°C，为新型基板材料和高性能热管理提供工程应用第三代半导体器件设计参考及技术方案。

据文献报道，通过界面改性设计，圣彼得堡国立工业大学液相渗透法制备的小尺寸（Φ5mm×24mm、Φ10mm×3mm）金刚石/铜复合材料的导热系数，北京科技大学等已超过900W/(m·K)，虽然多数研究报道的小样品热导率仍低于750W/(m·K)。导热系数不低于800W/(m·K)的Diamond/Cu复合材料试制成功仍充满技术挑战。

竞争格局刚刚形成，未来行业机会可期

目前，国内有大量专门从事热管理用金属基复合材料研发的机构，包括北京科技大学、哈尔滨工业大学、国防科技大学、中南大学等。华北理工大学、上海交通大学。金属研究所、钢铁研究所、中国科学院金属研究所等科研院所，以及湖南豪威特科技发展有限公司、北京宝航新材料有限公司等产业化企业.

综合来看，上述研发单位处于起步或早期发展阶段，普遍支持产业链中游企业，出货量仍较小。此外，上述机组具备量产/生产能力的产品主要为Al/SiC，但关于量产/生产导热系数更高的碳/金属复合材料的报道较少。

随着“碳中和、碳峰”政策的进一步实施，宽禁带半导体和化合物半导体将迎来需求爆发式增长，相关器件将向高性能、低功耗方向快速发展；随着形势的不断变化和空间探索的进一步推进，国防、航天等领域将对器件性能提出更高的要求。未来几年，高导热金属基复合材料将迎来发展黄金期散热膏导热系数，真正迎来规模化产业化。

行业活动

据此，2021年11月18日，由大同新材料与中国超硬材料网联合主办的第六届国际碳材料大会暨行业展览会-钻石论坛将在上海国际采购会展中心举行窗帘。本次论坛设有内部研讨会、主题报告和专题展区。围绕超精密加工技术与高端产品、大功率器件与碳基散热解决方案、前沿半导体应用等话题展开讨论，探索金刚石应用的无限可能！

钻石论坛

大功率器件和碳基散热解决方案

1、大尺寸高质量CVD金刚石薄膜制备及散热应用

2、高导热金属基复合材料的研究与应用

3、金刚石和SiC衬底散热技术

4、金刚石散热片材料界面改性及处理

5、金刚石散热片与芯片焊接工艺研究

6、金刚石在高功率半导体激光器中的应用

7、碳基射频电子器件研究进展

8、金刚石在大功率微波射频器件和5G大功率芯片中的应用

9、CVD金刚石散热片封装的大功率半导体激光器

10、金刚石在电子封装及相变蓄热方面的研究进展