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鄒小姐：13326633089 -
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導熱散熱材料對于半導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外，半導體器件所在的平面方向需要與之匹配的熱膨脹系數這一要求也是不容忽視的，具備高導熱性能的材料通常有陶瓷、金屬、復合材料等。許多情況下，單一材料很難同時滿足器件性能設計需求，而復合材料最大的特點在于其功能和性能的可設計性，合理選擇復合材料各組元成分、含量或改變復合材料的熱處理狀態，可以實現復合材料性能調整。
示例：鋁/金剛石熱管理材料及其顯微結構（表面化學鍍鎳金、化學鍍或電鍍金）:室溫下熱膨脹系數低至6ppm/K，與半導體材料兼容3.17g/cc的低密度，與銅合金散熱器相比，可降低整體系統重量。典型應用包括用于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、光電子學的復雜載體以及LED和檢測器；資料來源：NANO MATERIALS INTERNATIONAL CORPORATION
碳材料是導熱率較高的增強體候選材料，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體進一步提高金屬基復合材料的導熱性能被世界各國科學家爭相研究，其中炭/鋁復合材料由于其兼具輕質、高導熱、熱膨脹系數可調等優勢，成為電子封裝用散熱材料的優選材料。
基于GaN的射頻器件正在推動現有熱管理材料的門檻。高熱通量和對與器件材料（例如碳化硅）緊密匹配的低CTE散熱器材料的需求推動了對更高導熱率(>450W/mK)解決方案的需求。已開發出鋁/金剛石來滿足這一需求，其CTE為7.5ppm/K，熱導率為500W/mK。
一、高導熱碳增強相有哪些？
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、高結晶度、較大的微晶尺寸等特點，使得其成為制備高導熱材料的重要原料。天然鱗片石墨具有高導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）基面方向熱導率可達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，無法得到大規模應用。
#高結晶度石墨膜#是將高度定向的有機高分子薄膜（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℃），得到的產物具有與高定向熱解石墨類似的高度擇優取向和高石墨化度。這種高結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熱系數（1400-2000W/（m·K）），使用PI膜進一步制備了高導熱定向石墨塊，熱導率可高達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、壓制得到高導熱柔性石墨薄片，其室溫熱導率為200～700W/（m·K）。山西煤化所采取壓延法制備的高導熱柔性石墨薄板熱導率可達630W/（m·K）。
卷狀柔性石墨片及其生產線（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，使其低成本工業化生產得到加速。可用于LED等電子器件的散熱片，以及其它對材料強度要求較低的散熱領域。
2.納米碳材料
高導熱方面應用的納米碳材料主要包括#石墨烯#和#碳納米管#兩類。基于理論研究計算石墨烯的熱導率可達5150W/（m·K）以上。石墨烯極高的熱導率使得它可以在熱管理材料中占有非常重要的位置，如作為增強體可以大幅度提高聚合物基復合材料的熱導率。不過，目前工業批量生產的嚴格上并不屬于石墨烯，甚至于低于10層的勉強成為石墨烯的都比較少。碳納米管是由石墨烯卷曲構成的中空管狀結構。沿著管壁方向，呈現出類似石墨烯的高導熱性能，碳納米管的室溫熱導率測量值可達3000W/（m·K）。對于碳納米管和石墨烯，作為納米級別的高導熱增強體候選材料，一個是要解決尺寸效應帶來的界面熱阻問題，另一個是解決定向排布的問題。
石墨烯→碳納米管
3.碳纖維
高導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，瀝青呈現液晶狀態，固有的分子定向排布被保留下來，沿纖維軸向石墨微晶發育完整（中間相瀝青纖維具有高度石墨結構），微晶尺寸較大并沿軸向高度擇優取向，因此沿軸向具有較高的熱導率。
通用級碳纖維（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構
拓展閱讀：
（報告）
4.泡沫碳
高導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，不同方向的熱導率分布為40~180W/（m·K），密度為0.2~0.6g/cm3，這種泡沫結構的高導熱來源于其高度石墨化的骨架結構，沿骨架壁結構的熱導率可高達1800W/（m·K）以上，其特定泡沫結構可用于相變導熱材料的高導熱骨架。
5.金剛石和類金剛石薄膜
金剛石的熱導率極高，最高可達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，但同時也具有價格昂貴的特點。
顏值及智商都在線的金剛石
二、高導熱炭/鋁復合材料案例
1）碳纖維/鋁復合材料。其導熱性能影響因素主要為纖維種類、體積分數、金屬基體、排布取向以及復合材料的界面。美國金屬基復合材料公司（MMCC）采取短切碳纖維增強制備的鋁基復合材料，熱導率可達200W/（m·K）以上，并且其熱膨脹系數與半導體材料的熱膨脹系數相匹配。美國軍工企業洛克菲勒馬丁公司在海軍電子系統中大量采用Cf/Al復合材料作為封裝組件，達到減重效果。
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合材料，其出現的主要原因是Si/Al和SiC/Al無法跟上高密度高功率電子器件更新換代的封裝散熱需求，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率，由于其卓越的力學和物理性能，碳納米管和石墨烯增強金屬基復合材料已經引起了廣泛關注，目前的研究大多集中在力學性能報道方面。。納米碳在金屬基體中的分散和定向排列一直是技術上的難點，使其一直停留在實驗室階段，無法走向大規模應用。
4）鱗片石墨/鋁。德國弗勞恩霍夫研究所通過粉末冶金SPS放電等離子燒結技術，制備出了以鎢、鐵、鋁和銅為基體的鱗片石墨增強金屬復合材料，呈現出較高的熱物理性能。制備的60vol%鱗片石墨增強銅基復合材料熱導率可達到550W/（m·K）。
更多信息請看參考文獻及網址：
1.高導熱炭/鋁復合材料的研究進展；北京空間飛行器總體設計部；李文君，吳琪，苗建印。
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粉體圈編輯：Alpha
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