在人工智能時代，電子器件正逐漸朝著小型化和高度集成化方向發展，設備運行速度的加快以及元器件的高度集成，使得散熱成為當下阻礙電子技術發展的一大問題。傳統的金屬、陶瓷以及高分子材料等單一組分封裝材料如今較難滿足復雜的環境狀況，因此尋找并使用導熱率高的新型電子封裝材料，是解決當前散熱問題最直接、有效的辦法。金屬基復合封裝材料因具有良好的導熱性能、可調的熱膨脹系數和良好的力學性能，在近幾年受到廣泛的關注。接下來，小編將為大家介紹幾種常見的金屬基復合封裝材料及其相關應用。

電子封裝芯片示意圖（圖源：文獻2）

金屬基復合封裝材料

金屬基復合封裝材料是在傳統的金屬散熱材料中加入低密度、低膨脹的增強相，綜合基體和增強相各自的性能，得到的高導熱、低膨脹復合材料。相較傳統的單一電子封裝材料，金屬基復合型封裝材料可以通過改變增強相的種類、含量或金屬基體中的合金元素、含量、工藝以有效調節復合材料的各項性能，從而達到電子封裝材料的綜合性能要求；它可以制備出低熱膨脹系數的復合材料，從而與電子器件材料的熱膨脹系數相匹配，減少因溫度變化引起的應力和變形，提高封裝的可靠性和壽命；金屬的價格相對便宜，材料制造方式比較靈活，可以直接成型，避免加工過程中的材料損耗以及昂貴的加工費用；金屬基體通常具有很高的熱導率，有助于快速傳導和散熱，幫助電子元器件在穩定的環境下運作；它通常具有較高的強度和模量，以提供必要的機械支撐，保護內部電子元器件免受外部物理沖擊和振動的影響。金屬基復合材料根據基體可以劃分為鋁、銅、鎂、鋅基復合材料，其中以鋁和銅為基體的高導熱金屬基復合材料在電子封裝領域應用最為廣泛。

幾種高導熱或低膨脹材料的性能（圖源：文獻6）

鋁基復合封裝材料

鋁基復合封裝材料因具有良好的導熱性能、低密度、高比強等優點，成為人們重點關注的金屬基復合封裝材料，它通常采用碳化硅、金剛石、硅作為增強相。

應用：

（1）碳化硅/鋁復合封裝材料具有較高的導熱率，可以及時散熱，提升器件的性能及可靠性；它的熱膨脹系數可調，能夠與半導體芯片和陶瓷基片良好匹配，防止疲勞失效；它具有良好的抗震性和耐磨性，能夠適應復雜的環境，有效幫助電子元器件的運行。其導熱性能會隨碳化硅顆粒尺寸的增大而增大，但隨之出現的是碳化硅顆粒團聚，材料的硬度、孔隙率、彎曲強度下降的問題，如何有效平衡碳化硅顆粒對復合材料性能的影響是當前其需要解決的一大問題。Xie等通過聚氨酯復制技術結合硅反應滲透和固態燒結，調控碳化硅泡沫陶瓷支柱的微觀結構，成功構建了不同結構的3D-SiC網絡骨架。然后，通過鋁合金真空壓力滲透到3D-SiC骨架中，制備了具有三維互穿網絡結構的碳化硅/鋁復合材料，表現出396W/m·K的高導熱系數，8.03×10^-6K^-1的熱膨脹系數以及272MPa的優異抗彎強度。

（2）金剛石是一種室溫熱導率可達600-2200W/m·K，熱膨脹系數為0.8×10^-6K^-1且具有各向同性的優秀材料。金剛石/鋁復合封裝材料具有高熱導率、低熱膨脹系數等優點，其總體性能不僅由基體和增強相的性能決定，還會因不同的制備工藝而發生改變。目前，常用于制備金剛石/鋁復合材料的方法有真空熱壓法、放電等離子燒結法、氣壓浸滲法、壓力浸滲法。張海龍等采用氣壓浸滲法制備了不同尺寸的單峰和雙峰金剛石顆粒增強鋁基復合材料，雙峰金剛石顆粒增強的金剛石/鋁復合材料的熱導率為1021W/m·K，熱膨脹系數為3.4×10^-6K^-1。所制備的金剛石/鋁復合材料為目前研究中最高值，主要原因在于金剛石/鋁復合材料具有較高的界面熱導率、較大的金剛石顆粒尺寸、較高的金剛石含量和較低的孔隙率。

不同組合的SiC/Al復合材料的熱膨脹系數比較（圖源：文獻3）

銅基復合封裝材料

純銅具有優異的導電導熱性能和良好的加工性能，通過與陶瓷或一些穩定單質增強體結合形成銅基復合封裝材料，能夠有效提升材料的剛度、強度、耐磨和耐腐蝕性，降低材料密度和膨脹系數，因而在電子封裝材料領域越來越受人們關注。

應用：

（1）金剛石/銅復合封裝材料作為第三代高導熱材料，具有熱導率高、熱膨脹系數低的優點，加上目前人造金剛石粉價格的下降，使其具有非常廣闊的市場應用前景。但是通常金剛石和銅的界面結合情況較差，即使熔融的銅也很難潤濕金剛石，在不施加高壓的情況下，復合材料界面空隙的存在會導致其熱導率低于純銅的熱導率，因此界面問題已成為高導熱金剛石/銅復合材料的研究重點。要想提高金剛石/銅復合材料的性能，關鍵在于優化界面結合、減小界面空隙、減小界面熱阻。除了利用放電等離子燒結法、高溫高壓燒結法、真空熱壓燒結法、熔體浸滲法外，還可以在復合材料界面處引入與金剛石和銅均有較好結合能力的過渡層來進行界面調控。Wang等先用氣相沉積法在金剛石表面鍍覆一層Ti，將包覆Ti的金剛石顆粒與高純度的銅顆粒混合球磨得到混合粉末，用放電等離子燒結法在930℃、30MPa的條件下燒結制備，得到的層狀復合材料的理論導熱系數約為446W/m·K。但是復合材料氣孔較多，缺陷明顯。

（2）碳纖維/銅復合封裝材料作為新型的封裝材料，其性能受碳纖維含量和分布的影響，具有明顯的各向異性。研究發現，該復合材料縱向和橫向的熱導率以及熱膨脹系數存在較大差異，沿纖維縱向的熱導率顯著高于橫向的，而熱膨脹系數明顯低于橫向的，因此該復合材料的應用有一定的限制性。Tao等采用電沉積法在瀝青基碳纖維上涂覆銅，以銅涂層纖維為原料，通過熱壓制備的碳纖維/銅復合材料縱向熱導率為221.9W/m·K，但橫向熱導率僅為42.3W/m·K。

金剛石體積分數對金剛石/銅復合材料熱導率與熱膨脹系數的影響（圖源：文獻4）

小結

在人工智能快速發展的時代，算力對封裝材料提出了越來越高的要求，復合封裝材料作為可以滿足當前多樣化應用場景需求的新型封裝材料，還有非常廣闊的研發和應用空間。

參考文獻

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