高性能金属基复合材料迎来发展新机遇

宫学源

在摩尔定律获得验证的数十年来，电子器件的性能保持着指数增长的态势。但与此同时，器件节温也在持续攀升，反过来又降低了电子器件的性能和寿命。随着人们对电子器件性能的更高要求，热管理在电子器件发展中逐渐受到业界重视，新型结构、新型材料应运而生。其中，金属基复合材料结合了金属材料和无机非金属材料的性能，表现出高热导率、高强度、低密度和热膨胀系数可调等综合优势，有望解决未来高性能电子器件的热管理难题，未来10年或可大规模应用于电力电子、微波通信、轨道交通和航空航天等领域。目前，日本和欧洲企业在高性能热导率金属基复合材料的产业化方面已有诸多进展，我国该种材料的产业化探索主要集中在国防军工领域，当前还尚不具备大规模量产能力。

1 性能优势显著，金属基复材助力新一代熱管理方案

金属基复合材料（Metal Matrix Composites，MMC）是以金属为基体，无机非金属的纤维、晶须、颗粒或纳米颗粒等为增强体，经复合而成的新材料。根据基体材料不同，金属基复合材料可以分为铝基、镁基、钛基、铜基和铁基复合材料等。1963年，美国宇航局利用液相浸渗方法制备了10%钨丝增强铜复合材料，标志着金属基复合材料发展的起点。顾名思义，热管理用金属基复材是指应用方向为器件热管理用的金属基复材，主要强调金属基复材的导热特性，同时要兼顾复材的密度、强度和热膨胀系数等指标。

在电子封装或航空航天领域，热管理材料不仅需要有高的热导率，还需要具备与热端器件相匹配的热膨胀系数，避免因高温冷热交替下界面热应力过大而导致失效。半导体器件的热膨胀系数在（3～9）×10-6/K之间，铜（Cu）、铝（Al）等金属的热导率较高，但热膨胀系数过大，因此无法做成与热端部件直接接触的散热器件。相较之下，金属材料钨（W）、钼（Mo），陶瓷材料氮化铝（AlN）、氧化铝（Al2O3）、碳化硅（SiC）和氧化铍（BeO），以及金属基复合材料具有与半导体器件相匹配的热膨胀系数以及较高的热导率。其中，陶瓷材料具有良好的绝缘性能、较高的强度和热导率，一般作为陶瓷覆铜板（PCB线路板）直接与半导体器件接触；聚合物材料的热导率较低，与陶瓷、碳等无机非金属材料复合之后可有效改善热导率，一般用作热管理界面材料；金属基材料同时具有热导率高、密度低、力学性能好等优势，与陶瓷、碳等无机非金属复合后能有效降低热膨胀系数，可作为热沉、散热器或者散热基板使用。

铝、铜、镁因其相对较高的热导率、较低的密度以及优异的加工性，目前已经成为热管理用金属基复材的主流基体（如图1）。其中，Al/SiC、镁（Mg）/SiC体系具有密度低、热导率高、热膨胀系数可调等优势，在航空航天和电子封装领域已有成熟应用；铝石墨（Al/Gr）、铜石墨（Cu/Gr）体系除具有密度低、热导率高、热膨胀系数可调等优势外，还具有成本低、易加工的显著优势，更具产业化潜力；铝金刚石（Al/Dia）、铜金刚石（Cu/Dia）体系具有最高的热导率〔>700W/（m·K）〕，在一些高附加值产业领域如雷达TR组件、功率半导体器件上有望大面积推广。

2 技术迭代迅速，“碳金复材”成为业界关注焦点

在电子封装及航空航天等领域，金属基散热器件已经发展了数十年。最早产业化的是Invar合金和Kovar合金，可以统称为第1代封装材料，这2种合金的热膨胀系数与半导体器件匹配，但其本征热导率低，难以在高功率的使用场景中胜任。当前，产业界应用作为广泛、成熟度最高的产品是CuW和CuMo合金，可以统称为第2代封装材料，这2种合金的密度均教高，在追求轻量化的时代显得“不合时宜”，但因低成本优势仍具有较强的吸引力。

近年来，金属基复合材料因其综合性能优势，得到了产业界的广泛关注。其中，第3代封装材料Al/SiC、Mg/SiC实现了用户端轻量化的需求，已经在航空航天、功率器件等领域实现了产业化。随着半导体器件功率密度的不断攀升，对热管理材料热导率提出了更高要求，具有超高热导率的第4代封装材料金属/金刚石、金属/石墨复材开始进入了人们的视野，产业化趋势明朗。这2种“碳金复材”结合了碳材料无可比拟的热导率优势，以及金属的力学性能优势，并且具有低密度和可调节的热膨胀系数等一系列优势，正在成为业界关注的焦点（详见表1所示）。

经过数十年的发展，针对金属基复合材料的制备方法已经形成了多种体系，包括固相法、液相法、气态法、原位生成法等（如图3所示）。其中，放电等离子烧结法（SPS）是将金属和增强体粉末混合、压制后，施加脉冲电流产生等离子体进行加热烧结的制备方法，属于粉末冶金法的一种，具有快速、组织结构可控、节能环保等优势；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体的制备方法，具有界面结合良好、增强体尺寸可调、复合材料韧性高等诸多优势，但增强体体积分数一般不超过10%；搅拌铸造法是将增强体加入熔融态或者半熔融态的金属中，借助机械搅拌等方式使增强体均匀分散并随后凝固成型的方法，其具有低成本、工艺简单的优势，但增强体体积分数一般不超过20%；气相沉积法是将金属/前驱体粉末经过化学气相沉积或物理气相沉积过程形成金属/增强体粉末，然后通过粉末冶金成型的方法，结合了原位合成法和粉末冶金法的优势。

与其他金属基复合材料相比，“碳金复材”中碳材料与金属基体的浸润性较差，若制备方法不当得到的复合材料的热导率反而低于金属基体本身。国内外研制“碳金复材”时，多采用压力浸渗法，旨在获得更强的界面结合强度。压力浸渗法是指通过施加压力（真空压力或自排气压力），突破增强体的表面张力将金属液体渗透进增强体预制件中，然后凝固成型的方法，其具有适用性高、界面强度高和可定制性高的优势，增强体的体积分数通常可达到50%～80%。该方法应用于“碳金复材”，易于获得高强度、高导热、低膨胀等特性的静静成型产品，可免于后续的复杂加工过程，可广泛应用于电子封装和航空航天等领域的散热器件。

3 市场空间广阔，高功率密度器件热管理需求强劲

近年来，以“碳金复材”为代表的高性能金属基复合材料，正朝着高散热性能、低热膨胀、高强韧、超薄等方向快速发展，有望突破国家重大战略需求如航天、电子通讯及器件等领域的技术发展中面临的高功率密度电子器件散热瓶颈问题。尤其是宽禁带半导体器件、高功率激光器、高功率LED、雷达TR组件等高功率密度器件，对封装材料的导热速率和热膨胀特性有着很高的要求，正成为高性能金属基复合材料发展的主要驱动力。

在全球范围内，业界掀起了一股研究“碳金复材”的热潮。例如，欧洲地平线2020项目“GreenDiamond”旨在利用金刚石超宽禁带半导体开发下一代功率器件，该项目正寻求采用Cu/Dia金属基复材解决金刚石功率器件发热量大的问题；日本富士电机采用更加轻量化的Mg/SiC制作IGBT模块的金属基板，旨在降低器件故障率、提升产品可靠性；台湾省工业技术研究院研发出石墨体积分数高达80%、热导率高达550W/（m·K）（石墨平面方向）的铝石墨复合材料，可应用于3C散热和封装用housing等领域。

根据日本富士经济2019年11月发布的《散热材料的全球市场调查》预测，2023年仅汽车（包括新能源汽车、自动驾驶）和5G通信领域就将带来10亿美元量级的散热基板市场，汽车动力模块及LED大灯将成为散热基板增速最快的领域。未来5～10年，随着第3代半导体器件的大规模应用，以及轨道交通、航空航天、国防军事等领域对热管理需求的不断提升，高性能金属基复合材料及器件的市场规模将迅速达到百亿人民币量级。

4 竞争格局初成，未来产业机遇可期

目前，国内专门从事热管理用金属基复合材料研发的机构数量较多，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、北方工业大学和上海交通大学等高校，北京有色金属研究总院、钢铁研究总院、中科院金属所等科研院所，以及湖南浩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公司。整体上看，上述研发单位均处于起步阶段或者早期发展阶段，一般为产业链中游企业做配套，出货量仍较小。此外，上述单位具备量产/生产能力的产品主要为Al/SiC，但在热导率更高的碳/金属复合材料方面鲜有量产/生产的报道。

相较之下，欧洲企业和日本企业在“碳金复材”这类高性能金属基复合材料产业化方面走在了前面。日本宇部兴产和昭和电工2家产业巨头均研发出热导率400W/（m·K）以上的金属基复合材料，并已在功率器件上得到应用；日本先进复材（Advanced Composite）和联合材料（ALMT）2家公司具备强大的研发能力，专门为上述产业巨头提供元器件。欧洲境内从事“碳金复材”的企业已有集群化趋势，产业巨头如攀时（Plansee），研发型科技企业如RHP Technology、TECNISCO等，均具備强大的产业竞争力。中国、美国高性能金属基复材企业多为军工服务，在成本控制上处于劣势，在民用领域的发展上还存在一定的瓶颈。

随着“碳中和、碳达峰”政策的进一步落地，宽禁带半导体、化合物半导体将迎来需求的爆发，相关器件将向高性能、低功耗方向快速发展；随着国际形势的不断变化，以及对太空探索的进一步推进，国防与航天等领域对器件性能将提出更高要求。未来数年，高热导率金属基复合材料将迎来黄金发展期，真正迎来大规模的产业化。中国相关科研单位和科技企业在金属复合材料领域已有多年积累，尤其是在国防与航天等领域已具备产业化基础，在全球产业竞争中不惧对手。未来需要关注的主要方面，包括宽禁带半导体等下游产业进展、金属基复材质量控制与成本控制。

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