導(dǎo)熱散熱材料對(duì)于半導(dǎo)體電子元器件的重要性想必不用多說，但除了散熱這一指標(biāo)外，半導(dǎo)體器件所在的平面方向需要與之匹配的熱膨脹系數(shù)這一要求也是不容忽視的，具備高導(dǎo)熱性能的材料通常有陶瓷、金屬、復(fù)合材料等。許多情況下，單一材料很難同時(shí)滿足器件性能設(shè)計(jì)需求，而復(fù)合材料最大的特點(diǎn)在于其功能和性能的可設(shè)計(jì)性，合理選擇復(fù)合材料各組元成分、含量或改變復(fù)合材料的熱處理狀態(tài)，可以實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料性能調(diào)整。

示例：鋁/金剛石熱管理材料及其顯微結(jié)構(gòu)（表面化學(xué)鍍鎳金、化學(xué)鍍或電鍍金）:室溫下熱膨脹系數(shù)低至6ppm/K，與半導(dǎo)體材料兼容3.17g/cc的低密度，與銅合金散熱器相比，可降低整體系統(tǒng)重量。典型應(yīng)用包括用于RF和微波晶體管以及RFIC和MMIC封裝（尤其是基于氮化鎵-GaN的封裝）的散熱器和散熱器、直流功率器件封裝、激光二極管封裝、光電子學(xué)的復(fù)雜載體以及LED和檢測器；資料來源：NANO MATERIALS   INTERNATIONAL CORPORATION

碳材料是導(dǎo)熱率較高的增強(qiáng)體候選材料，特別是以純sp2和sp3雜化成鍵的碳材料（如石墨烯和金剛石）的熱導(dǎo)率最高（原理解析見文末拓展閱讀6）。以“碳”作為極具吸引力的增強(qiáng)體進(jìn)一步提高金屬基復(fù)合材料的導(dǎo)熱性能被世界各國科學(xué)家爭相研究，其中炭/鋁復(fù)合材料由于其兼具輕質(zhì)、高導(dǎo)熱、熱膨脹系數(shù)可調(diào)等優(yōu)勢(shì)，成為電子封裝用散熱材料的優(yōu)選材料。

基于GaN的射頻器件正在推動(dòng)現(xiàn)有熱管理材料的門檻。高熱通量和對(duì)與器件材料（例如碳化硅）緊密匹配的低CTE散熱器材料的需求推動(dòng)了對(duì)更高導(dǎo)熱率(>450W/mK)解決方案的需求。已開發(fā)出鋁/金剛石來滿足這一需求，其CTE為7.5ppm/K，熱導(dǎo)率為500W/mK。

一、高導(dǎo)熱碳增強(qiáng)相有哪些？

1.高定向石墨

高取向性石墨主要有天然鱗片石墨、高定向熱解石墨、高結(jié)晶度石墨膜/塊和柔性石墨片等。

#天然鱗片石墨#具有較高的純度、完美的晶體取向、高結(jié)晶度、較大的微晶尺寸等特點(diǎn)，使得其成為制備高導(dǎo)熱材料的重要原料。天然鱗片石墨具有高導(dǎo)熱的性能以及低廉的成本。

天然鱗片石墨

#高定向熱解石墨#（highly oriented pyrolytic graphite，HOPG）是熱解炭或熱解石墨在高溫高壓（3400~3600℃，10MPa）下處理得到的，形成沿石墨片層方向高度取向的多晶石墨。高定向熱解石墨沿（002）基面方向熱導(dǎo)率可達(dá)1600～2200W/（m·K），非常接近單晶石墨的性能。然而受制備工藝限制，成本較高，無法得到大規(guī)模應(yīng)用。

#高結(jié)晶度石墨膜#是將高度定向的有機(jī)高分子薄膜（如聚酰亞胺PI、聚苯撐亞乙烯基PPV和聚惡二唑POD）在惰性氣體條件下高溫石墨化（2800～3200℃），得到的產(chǎn)物具有與高定向熱解石墨類似的高度擇優(yōu)取向和高石墨化度。這種高結(jié)晶度和完美的取向排列使其沿薄膜表面方向具備極高的導(dǎo)熱系數(shù)（1400-2000W/（m·K）），使用PI膜進(jìn)一步制備了高導(dǎo)熱定向石墨塊，熱導(dǎo)率可高達(dá)400~800W/（m·K）。

美國杜邦聚酰亞胺薄膜

柔性石墨片是以鱗片石墨為原料，經(jīng)過膨化制備出蠕蟲狀膨脹石墨，再將膨脹石墨壓延、壓制得到高導(dǎo)熱柔性石墨薄片，其室溫?zé)釋?dǎo)率為200～700W/（m·K）。山西煤化所采取壓延法制備的高導(dǎo)熱柔性石墨薄板熱導(dǎo)率可達(dá)630W/（m·K）。

卷狀柔性石墨片及其生產(chǎn)線（NihonCarbon公司）

由于這種材料無需高溫石墨化處理、制備工藝相對(duì)簡單、制備成本較低，因此不僅可以作為高溫密封材料，還可以作為電子器件/熱沉間的界面散熱墊片。此外，較薄的石墨片具有一定的柔韌性，可以彎曲收卷存放，使其低成本工業(yè)化生產(chǎn)得到加速。可用于LED等電子器件的散熱片，以及其它對(duì)材料強(qiáng)度要求較低的散熱領(lǐng)域。

2.納米碳材料

高導(dǎo)熱方面應(yīng)用的納米碳材料主要包括#石墨烯#和#碳納米管#兩類。基于理論研究計(jì)算石墨烯的熱導(dǎo)率可達(dá)5150W/（m·K）以上。石墨烯極高的熱導(dǎo)率使得它可以在熱管理材料中占有非常重要的位置，如作為增強(qiáng)體可以大幅度提高聚合物基復(fù)合材料的熱導(dǎo)率。不過，目前工業(yè)批量生產(chǎn)的嚴(yán)格上并不屬于石墨烯，甚至于低于10層的勉強(qiáng)成為石墨烯的都比較少。碳納米管是由石墨烯卷曲構(gòu)成的中空管狀結(jié)構(gòu)。沿著管壁方向，呈現(xiàn)出類似石墨烯的高導(dǎo)熱性能，碳納米管的室溫?zé)釋?dǎo)率測量值可達(dá)3000W/（m·K）。對(duì)于碳納米管和石墨烯，作為納米級(jí)別的高導(dǎo)熱增強(qiáng)體候選材料，一個(gè)是要解決尺寸效應(yīng)帶來的界面熱阻問題，另一個(gè)是解決定向排布的問題。

石墨烯→碳納米管

3.碳纖維

高導(dǎo)熱碳纖維主要是指瀝青基碳纖維，其制備原料是中間相瀝青。在制備過程中，瀝青呈現(xiàn)液晶狀態(tài)，固有的分子定向排布被保留下來，沿纖維軸向石墨微晶發(fā)育完整（中間相瀝青纖維具有高度石墨結(jié)構(gòu)），微晶尺寸較大并沿軸向高度擇優(yōu)取向，因此沿軸向具有較高的熱導(dǎo)率。

通用級(jí)碳纖維（各向同性瀝青制備）和高性能瀝青纖維（中間相瀝青制備）可以清晰的看到，中間相瀝青纖維具有高度石墨結(jié)構(gòu)

拓展閱讀：

諾科碳材料：高導(dǎo)熱中間相瀝青基碳纖維粉應(yīng)用研究（報(bào)告）

4.泡沫碳

高導(dǎo)熱泡沫碳通過中間相瀝青加工而成，具有一定程度的各向異性，不同方向的熱導(dǎo)率分布為40~180W/（m·K），密度為0.2~0.6g/cm3，這種泡沫結(jié)構(gòu)的高導(dǎo)熱來源于其高度石墨化的骨架結(jié)構(gòu)，沿骨架壁結(jié)構(gòu)的熱導(dǎo)率可高達(dá)1800W/（m·K）以上，其特定泡沫結(jié)構(gòu)可用于相變導(dǎo)熱材料的高導(dǎo)熱骨架。

5.金剛石和類金剛石薄膜

金剛石的熱導(dǎo)率極高，最高可達(dá)2000W/（m·K）以上，并且具有極高的硬度以及良好的絕緣性能，是非常理想的電子元器件散熱材料，但同時(shí)也具有價(jià)格昂貴的特點(diǎn)。

顏值及智商都在線的金剛石

二、高導(dǎo)熱炭/鋁復(fù)合材料案例

1）碳纖維/鋁復(fù)合材料。其導(dǎo)熱性能影響因素主要為纖維種類、體積分?jǐn)?shù)、金屬基體、排布取向以及復(fù)合材料的界面。美國金屬基復(fù)合材料公司（MMCC）采取短切碳纖維增強(qiáng)制備的鋁基復(fù)合材料，熱導(dǎo)率可達(dá)200W/（m·K）以上，并且其熱膨脹系數(shù)與半導(dǎo)體材料的熱膨脹系數(shù)相匹配。美國軍工企業(yè)洛克菲勒馬丁公司在海軍電子系統(tǒng)中大量采用Cf/Al復(fù)合材料作為封裝組件，達(dá)到減重效果。

2）金剛石/鋁。金剛石/鋁和金剛石/銅是第四代電子封裝用金屬基復(fù)合材料，其出現(xiàn)的主要原因是Si/Al和SiC/Al無法跟上高密度高功率電子器件更新?lián)Q代的封裝散熱需求，可用于IGBT底座、電子器件散熱板等方面。案例見開篇第一張圖。

3）碳納米管/鋁（或銅）和石墨烯/鋁（或銅）。碳納米管與石墨烯具有非常高的熱導(dǎo)率，由于其卓越的力學(xué)和物理性能，碳納米管和石墨烯增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料已經(jīng)引起了廣泛關(guān)注，目前的研究大多集中在力學(xué)性能報(bào)道方面。。納米碳在金屬基體中的分散和定向排列一直是技術(shù)上的難點(diǎn)，使其一直停留在實(shí)驗(yàn)室階段，無法走向大規(guī)模應(yīng)用。

4）鱗片石墨/鋁。德國弗勞恩霍夫研究所通過粉末冶金SPS放電等離子燒結(jié)技術(shù)，制備出了以鎢、鐵、鋁和銅為基體的鱗片石墨增強(qiáng)金屬復(fù)合材料，呈現(xiàn)出較高的熱物理性能。制備的60vol%鱗片石墨增強(qiáng)銅基復(fù)合材料熱導(dǎo)率可達(dá)到550W/（m·K）。

更多信息請(qǐng)看參考文獻(xiàn)及網(wǎng)址：

1.高導(dǎo)熱炭/鋁復(fù)合材料的研究進(jìn)展；北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部；李文君，吳琪，苗建印。

2.https://www.nanomaterials-intl.com

拓展閱讀：

1、材料系列科普9：同樣是tan，“碳”與“炭”有何不同

2、金剛石/銅高導(dǎo)熱復(fù)合材料界面問題解決方法

3、這些“高導(dǎo)熱石墨膜”大不同

4、各向同性石墨與各向異性石墨傻傻分不清

5、金屬基復(fù)合材料會(huì)是下一代高導(dǎo)熱電子封裝材料嗎？

6、白石墨六方氮化硼與石墨結(jié)構(gòu)相似，為啥h-BN不導(dǎo)電？

粉體圈編輯：Alpha

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