高性能金屬基復合材料迎來發展新機遇

宮學源

在摩爾定律獲得驗證的數十年來，電子器件的性能保持著指數增長的態勢。但與此同時，器件節溫也在持續攀升，反過來又降低了電子器件的性能和壽命。隨著人們對電子器件性能的更高要求，熱管理在電子器件發展中逐漸受到業界重視，新型結構、新型材料應運而生。其中，金屬基復合材料結合了金屬材料和無機非金屬材料的性能，表現出高熱導率、高強度、低密度和熱膨脹系數可調等綜合優勢，有望解決未來高性能電子器件的熱管理難題，未來10年或可大規模應用于電力電子、微波通信、軌道交通和航空航天等領域。目前，日本和歐洲企業在高性能熱導率金屬基復合材料的產業化方面已有諸多進展，我國該種材料的產業化探索主要集中在國防軍工領域，當前還尚不具備大規模量產能力。

1 性能優勢顯著，金屬基復材助力新一代熱管理方案

金屬基復合材料（Metal Matrix Composites，MMC）是以金屬為基體，無機非金屬的纖維、晶須、顆粒或納米顆粒等為增強體，經復合而成的新材料。根據基體材料不同，金屬基復合材料可以分為鋁基、鎂基、鈦基、銅基和鐵基復合材料等。1963年，美國宇航局利用液相浸滲方法制備了10%鎢絲增強銅復合材料，標志著金屬基復合材料發展的起點。顧名思義，熱管理用金屬基復材是指應用方向為器件熱管理用的金屬基復材，主要強調金屬基復材的導熱特性，同時要兼顧復材的密度、強度和熱膨脹系數等指標。

在電子封裝或航空航天領域，熱管理材料不僅需要有高的熱導率，還需要具備與熱端器件相匹配的熱膨脹系數，避免因高溫冷熱交替下界面熱應力過大而導致失效。半導體器件的熱膨脹系數在（3～9）×10-6/K之間，銅（Cu）、鋁（Al）等金屬的熱導率較高，但熱膨脹系數過大，因此無法做成與熱端部件直接接觸的散熱器件。相較之下，金屬材料鎢（W）、鉬（Mo），陶瓷材料氮化鋁（AlN）、氧化鋁（Al2O3）、碳化硅（SiC）和氧化鈹（BeO），以及金屬基復合材料具有與半導體器件相匹配的熱膨脹系數以及較高的熱導率。其中，陶瓷材料具有良好的絕緣性能、較高的強度和熱導率，一般作為陶瓷覆銅板（PCB線路板）直接與半導體器件接觸；聚合物材料的熱導率較低，與陶瓷、碳等無機非金屬材料復合之后可有效改善熱導率，一般用作熱管理界面材料；金屬基材料同時具有熱導率高、密度低、力學性能好等優勢，與陶瓷、碳等無機非金屬復合后能有效降低熱膨脹系數，可作為熱沉、散熱器或者散熱基板使用。

鋁、銅、鎂因其相對較高的熱導率、較低的密度以及優異的加工性，目前已經成為熱管理用金屬基復材的主流基體（如圖1）。其中，Al/SiC、鎂（Mg）/SiC體系具有密度低、熱導率高、熱膨脹系數可調等優勢，在航空航天和電子封裝領域已有成熟應用；鋁石墨（Al/Gr）、銅石墨（Cu/Gr）體系除具有密度低、熱導率高、熱膨脹系數可調等優勢外，還具有成本低、易加工的顯著優勢，更具產業化潛力；鋁金剛石（Al/Dia）、銅金剛石（Cu/Dia）體系具有最高的熱導率〔>700W/（m·K）〕，在一些高附加值產業領域如雷達TR組件、功率半導體器件上有望大面積推廣。

2 技術迭代迅速，“碳金復材”成為業界關注焦點

在電子封裝及航空航天等領域，金屬基散熱器件已經發展了數十年。最早產業化的是Invar合金和Kovar合金，可以統稱為第1代封裝材料，這2種合金的熱膨脹系數與半導體器件匹配，但其本征熱導率低，難以在高功率的使用場景中勝任。當前，產業界應用作為廣泛、成熟度最高的產品是CuW和CuMo合金，可以統稱為第2代封裝材料，這2種合金的密度均教高，在追求輕量化的時代顯得“不合時宜”，但因低成本優勢仍具有較強的吸引力。

近年來，金屬基復合材料因其綜合性能優勢，得到了產業界的廣泛關注。其中，第3代封裝材料Al/SiC、Mg/SiC實現了用戶端輕量化的需求，已經在航空航天、功率器件等領域實現了產業化。隨著半導體器件功率密度的不斷攀升，對熱管理材料熱導率提出了更高要求，具有超高熱導率的第4代封裝材料金屬/金剛石、金屬/石墨復材開始進入了人們的視野，產業化趨勢明朗。這2種“碳金復材”結合了碳材料無可比擬的熱導率優勢，以及金屬的力學性能優勢，并且具有低密度和可調節的熱膨脹系數等一系列優勢，正在成為業界關注的焦點（詳見表1所示）。

經過數十年的發展，針對金屬基復合材料的制備方法已經形成了多種體系，包括固相法、液相法、氣態法、原位生成法等（如圖3所示）。其中，放電等離子燒結法（SPS）是將金屬和增強體粉末混合、壓制后，施加脈沖電流產生等離子體進行加熱燒結的制備方法，屬于粉末冶金法的一種，具有快速、組織結構可控、節能環保等優勢；原位生成法是利用液態金屬和金屬鹽在高溫下原位生成陶瓷增強體的制備方法，具有界面結合良好、增強體尺寸可調、復合材料韌性高等諸多優勢，但增強體體積分數一般不超過10%；攪拌鑄造法是將增強體加入熔融態或者半熔融態的金屬中，借助機械攪拌等方式使增強體均勻分散并隨后凝固成型的方法，其具有低成本、工藝簡單的優勢，但增強體體積分數一般不超過20%；氣相沉積法是將金屬/前驅體粉末經過化學氣相沉積或物理氣相沉積過程形成金屬/增強體粉末，然后通過粉末冶金成型的方法，結合了原位合成法和粉末冶金法的優勢。

與其他金屬基復合材料相比，“碳金復材”中碳材料與金屬基體的浸潤性較差，若制備方法不當得到的復合材料的熱導率反而低于金屬基體本身。國內外研制“碳金復材”時，多采用壓力浸滲法，旨在獲得更強的界面結合強度。壓力浸滲法是指通過施加壓力（真空壓力或自排氣壓力），突破增強體的表面張力將金屬液體滲透進增強體預制件中，然后凝固成型的方法，其具有適用性高、界面強度高和可定制性高的優勢，增強體的體積分數通常可達到50%～80%。該方法應用于“碳金復材”，易于獲得高強度、高導熱、低膨脹等特性的靜靜成型產品，可免于后續的復雜加工過程，可廣泛應用于電子封裝和航空航天等領域的散熱器件。

3 市場空間廣闊，高功率密度器件熱管理需求強勁

近年來，以“碳金復材”為代表的高性能金屬基復合材料，正朝著高散熱性能、低熱膨脹、高強韌、超薄等方向快速發展，有望突破國家重大戰略需求如航天、電子通訊及器件等領域的技術發展中面臨的高功率密度電子器件散熱瓶頸問題。尤其是寬禁帶半導體器件、高功率激光器、高功率LED、雷達TR組件等高功率密度器件，對封裝材料的導熱速率和熱膨脹特性有著很高的要求，正成為高性能金屬基復合材料發展的主要驅動力。

在全球范圍內，業界掀起了一股研究“碳金復材”的熱潮。例如，歐洲地平線2020項目“GreenDiamond”旨在利用金剛石超寬禁帶半導體開發下一代功率器件，該項目正尋求采用Cu/Dia金屬基復材解決金剛石功率器件發熱量大的問題；日本富士電機采用更加輕量化的Mg/SiC制作IGBT模塊的金屬基板，旨在降低器件故障率、提升產品可靠性；臺灣省工業技術研究院研發出石墨體積分數高達80%、熱導率高達550W/（m·K）（石墨平面方向）的鋁石墨復合材料，可應用于3C散熱和封裝用housing等領域。

根據日本富士經濟2019年11月發布的《散熱材料的全球市場調查》預測，2023年僅汽車（包括新能源汽車、自動駕駛）和5G通信領域就將帶來10億美元量級的散熱基板市場，汽車動力模塊及LED大燈將成為散熱基板增速最快的領域。未來5～10年，隨著第3代半導體器件的大規模應用，以及軌道交通、航空航天、國防軍事等領域對熱管理需求的不斷提升，高性能金屬基復合材料及器件的市場規模將迅速達到百億人民幣量級。

4 競爭格局初成，未來產業機遇可期

目前，國內專門從事熱管理用金屬基復合材料研發的機構數量較多，包括北京科技大學、哈爾濱工業大學、國防科技大學、中南大學、北方工業大學和上海交通大學等高校，北京有色金屬研究總院、鋼鐵研究總院、中科院金屬所等科研院所，以及湖南浩威特科技發展有限公司、北京寶航新材料有限公司等產業化公司。整體上看，上述研發單位均處于起步階段或者早期發展階段，一般為產業鏈中游企業做配套，出貨量仍較小。此外，上述單位具備量產/生產能力的產品主要為Al/SiC，但在熱導率更高的碳/金屬復合材料方面鮮有量產/生產的報道。

相較之下，歐洲企業和日本企業在“碳金復材”這類高性能金屬基復合材料產業化方面走在了前面。日本宇部興產和昭和電工2家產業巨頭均研發出熱導率400W/（m·K）以上的金屬基復合材料，并已在功率器件上得到應用；日本先進復材（Advanced Composite）和聯合材料（ALMT）2家公司具備強大的研發能力，專門為上述產業巨頭提供元器件。歐洲境內從事“碳金復材”的企業已有集群化趨勢，產業巨頭如攀時（Plansee），研發型科技企業如RHP Technology、TECNISCO等，均具備強大的產業競爭力。中國、美國高性能金屬基復材企業多為軍工服務，在成本控制上處于劣勢，在民用領域的發展上還存在一定的瓶頸。

隨著“碳中和、碳達峰”政策的進一步落地，寬禁帶半導體、化合物半導體將迎來需求的爆發，相關器件將向高性能、低功耗方向快速發展；隨著國際形勢的不斷變化，以及對太空探索的進一步推進，國防與航天等領域對器件性能將提出更高要求。未來數年，高熱導率金屬基復合材料將迎來黃金發展期，真正迎來大規模的產業化。中國相關科研單位和科技企業在金屬復合材料領域已有多年積累，尤其是在國防與航天等領域已具備產業化基礎，在全球產業競爭中不懼對手。未來需要關注的主要方面，包括寬禁帶半導體等下游產業進展、金屬基復材質量控制與成本控制。

10.19599/j.issn.1008-892x.2021.03.009