高性能金屬基復(fù)合材料迎來(lái)發(fā)展新機(jī)遇

宮學(xué)源

在摩爾定律獲得驗(yàn)證的數(shù)十年來(lái)，電子器件的性能保持著指數(shù)增長(zhǎng)的態(tài)勢(shì)。但與此同時(shí)，器件節(jié)溫也在持續(xù)攀升，反過(guò)來(lái)又降低了電子器件的性能和壽命。隨著人們對(duì)電子器件性能的更高要求，熱管理在電子器件發(fā)展中逐漸受到業(yè)界重視，新型結(jié)構(gòu)、新型材料應(yīng)運(yùn)而生。其中，金屬基復(fù)合材料結(jié)合了金屬材料和無(wú)機(jī)非金屬材料的性能，表現(xiàn)出高熱導(dǎo)率、高強(qiáng)度、低密度和熱膨脹系數(shù)可調(diào)等綜合優(yōu)勢(shì)，有望解決未來(lái)高性能電子器件的熱管理難題，未來(lái)10年或可大規(guī)模應(yīng)用于電力電子、微波通信、軌道交通和航空航天等領(lǐng)域。目前，日本和歐洲企業(yè)在高性能熱導(dǎo)率金屬基復(fù)合材料的產(chǎn)業(yè)化方面已有諸多進(jìn)展，我國(guó)該種材料的產(chǎn)業(yè)化探索主要集中在國(guó)防軍工領(lǐng)域，當(dāng)前還尚不具備大規(guī)模量產(chǎn)能力。

1 性能優(yōu)勢(shì)顯著，金屬基復(fù)材助力新一代熱管理方案

金屬基復(fù)合材料（Metal Matrix Composites，MMC）是以金屬為基體，無(wú)機(jī)非金屬的纖維、晶須、顆?；蚣{米顆粒等為增強(qiáng)體，經(jīng)復(fù)合而成的新材料。根據(jù)基體材料不同，金屬基復(fù)合材料可以分為鋁基、鎂基、鈦基、銅基和鐵基復(fù)合材料等。1963年，美國(guó)宇航局利用液相浸滲方法制備了10%鎢絲增強(qiáng)銅復(fù)合材料，標(biāo)志著金屬基復(fù)合材料發(fā)展的起點(diǎn)。顧名思義，熱管理用金屬基復(fù)材是指應(yīng)用方向?yàn)槠骷峁芾碛玫慕饘倩鶑?fù)材，主要強(qiáng)調(diào)金屬基復(fù)材的導(dǎo)熱特性，同時(shí)要兼顧復(fù)材的密度、強(qiáng)度和熱膨脹系數(shù)等指標(biāo)。

在電子封裝或航空航天領(lǐng)域，熱管理材料不僅需要有高的熱導(dǎo)率，還需要具備與熱端器件相匹配的熱膨脹系數(shù)，避免因高溫冷熱交替下界面熱應(yīng)力過(guò)大而導(dǎo)致失效。半導(dǎo)體器件的熱膨脹系數(shù)在（3～9）×10-6/K之間，銅（Cu）、鋁（Al）等金屬的熱導(dǎo)率較高，但熱膨脹系數(shù)過(guò)大，因此無(wú)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(fù)合材料具有與半導(dǎo)體器件相匹配的熱膨脹系數(shù)以及較高的熱導(dǎo)率。其中，陶瓷材料具有良好的絕緣性能、較高的強(qiáng)度和熱導(dǎo)率，一般作為陶瓷覆銅板（PCB線路板）直接與半導(dǎo)體器件接觸；聚合物材料的熱導(dǎo)率較低，與陶瓷、碳等無(wú)機(jī)非金屬材料復(fù)合之后可有效改善熱導(dǎo)率，一般用作熱管理界面材料；金屬基材料同時(shí)具有熱導(dǎo)率高、密度低、力學(xué)性能好等優(yōu)勢(shì)，與陶瓷、碳等無(wú)機(jī)非金屬?gòu)?fù)合后能有效降低熱膨脹系數(shù)，可作為熱沉、散熱器或者散熱基板使用。

鋁、銅、鎂因其相對(duì)較高的熱導(dǎo)率、較低的密度以及優(yōu)異的加工性，目前已經(jīng)成為熱管理用金屬基復(fù)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(dǎo)率高、熱膨脹系數(shù)可調(diào)等優(yōu)勢(shì)，在航空航天和電子封裝領(lǐng)域已有成熟應(yīng)用；鋁石墨（Al/Gr）、銅石墨（Cu/Gr）體系除具有密度低、熱導(dǎo)率高、熱膨脹系數(shù)可調(diào)等優(yōu)勢(shì)外，還具有成本低、易加工的顯著優(yōu)勢(shì)，更具產(chǎn)業(yè)化潛力；鋁金剛石（Al/Dia）、銅金剛石（Cu/Dia）體系具有最高的熱導(dǎo)率〔>700W/（m·K）〕，在一些高附加值產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域如雷達(dá)TR組件、功率半導(dǎo)體器件上有望大面積推廣。

2 技術(shù)迭代迅速，“碳金復(fù)材”成為業(yè)界關(guān)注焦點(diǎn)

在電子封裝及航空航天等領(lǐng)域，金屬基散熱器件已經(jīng)發(fā)展了數(shù)十年。最早產(chǎn)業(yè)化的是Invar合金和Kovar合金，可以統(tǒng)稱(chēng)為第1代封裝材料，這2種合金的熱膨脹系數(shù)與半導(dǎo)體器件匹配，但其本征熱導(dǎo)率低，難以在高功率的使用場(chǎng)景中勝任。當(dāng)前，產(chǎn)業(yè)界應(yīng)用作為廣泛、成熟度最高的產(chǎn)品是CuW和CuMo合金，可以統(tǒng)稱(chēng)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(shí)代顯得“不合時(shí)宜”，但因低成本優(yōu)勢(shì)仍具有較強(qiáng)的吸引力。

近年來(lái)，金屬基復(fù)合材料因其綜合性能優(yōu)勢(shì)，得到了產(chǎn)業(yè)界的廣泛關(guān)注。其中，第3代封裝材料Al/SiC、Mg/SiC實(shí)現(xiàn)了用戶(hù)端輕量化的需求，已經(jīng)在航空航天、功率器件等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化。隨著半導(dǎo)體器件功率密度的不斷攀升，對(duì)熱管理材料熱導(dǎo)率提出了更高要求，具有超高熱導(dǎo)率的第4代封裝材料金屬/金剛石、金屬/石墨復(fù)材開(kāi)始進(jìn)入了人們的視野，產(chǎn)業(yè)化趨勢(shì)明朗。這2種“碳金復(fù)材”結(jié)合了碳材料無(wú)可比擬的熱導(dǎo)率優(yōu)勢(shì)，以及金屬的力學(xué)性能優(yōu)勢(shì)，并且具有低密度和可調(diào)節(jié)的熱膨脹系數(shù)等一系列優(yōu)勢(shì)，正在成為業(yè)界關(guān)注的焦點(diǎn)（詳見(jiàn)表1所示）。

經(jīng)過(guò)數(shù)十年的發(fā)展，針對(duì)金屬基復(fù)合材料的制備方法已經(jīng)形成了多種體系，包括固相法、液相法、氣態(tài)法、原位生成法等（如圖3所示）。其中，放電等離子燒結(jié)法（SPS）是將金屬和增強(qiáng)體粉末混合、壓制后，施加脈沖電流產(chǎn)生等離子體進(jìn)行加熱燒結(jié)的制備方法，屬于粉末冶金法的一種，具有快速、組織結(jié)構(gòu)可控、節(jié)能環(huán)保等優(yōu)勢(shì)；原位生成法是利用液態(tài)金屬和金屬鹽在高溫下原位生成陶瓷增強(qiáng)體的制備方法，具有界面結(jié)合良好、增強(qiáng)體尺寸可調(diào)、復(fù)合材料韌性高等諸多優(yōu)勢(shì)，但增強(qiáng)體體積分?jǐn)?shù)一般不超過(guò)10%；攪拌鑄造法是將增強(qiáng)體加入熔融態(tài)或者半熔融態(tài)的金屬中，借助機(jī)械攪拌等方式使增強(qiáng)體均勻分散并隨后凝固成型的方法，其具有低成本、工藝簡(jiǎn)單的優(yōu)勢(shì)，但增強(qiáng)體體積分?jǐn)?shù)一般不超過(guò)20%；氣相沉積法是將金屬/前驅(qū)體粉末經(jīng)過(guò)化學(xué)氣相沉積或物理氣相沉積過(guò)程形成金屬/增強(qiáng)體粉末，然后通過(guò)粉末冶金成型的方法，結(jié)合了原位合成法和粉末冶金法的優(yōu)勢(shì)。

與其他金屬基復(fù)合材料相比，“碳金復(fù)材”中碳材料與金屬基體的浸潤(rùn)性較差，若制備方法不當(dāng)?shù)玫降膹?fù)合材料的熱導(dǎo)率反而低于金屬基體本身。國(guó)內(nèi)外研制“碳金復(fù)材”時(shí)，多采用壓力浸滲法，旨在獲得更強(qiáng)的界面結(jié)合強(qiáng)度。壓力浸滲法是指通過(guò)施加壓力（真空壓力或自排氣壓力），突破增強(qiáng)體的表面張力將金屬液體滲透進(jìn)增強(qiáng)體預(yù)制件中，然后凝固成型的方法，其具有適用性高、界面強(qiáng)度高和可定制性高的優(yōu)勢(shì)，增強(qiáng)體的體積分?jǐn)?shù)通常可達(dá)到50%～80%。該方法應(yīng)用于“碳金復(fù)材”，易于獲得高強(qiáng)度、高導(dǎo)熱、低膨脹等特性的靜靜成型產(chǎn)品，可免于后續(xù)的復(fù)雜加工過(guò)程，可廣泛應(yīng)用于電子封裝和航空航天等領(lǐng)域的散熱器件。

3 市場(chǎng)空間廣闊，高功率密度器件熱管理需求強(qiáng)勁

近年來(lái)，以“碳金復(fù)材”為代表的高性能金屬基復(fù)合材料，正朝著高散熱性能、低熱膨脹、高強(qiáng)韌、超薄等方向快速發(fā)展，有望突破國(guó)家重大戰(zhàn)略需求如航天、電子通訊及器件等領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展中面臨的高功率密度電子器件散熱瓶頸問(wèn)題。尤其是寬禁帶半導(dǎo)體器件、高功率激光器、高功率LED、雷達(dá)TR組件等高功率密度器件，對(duì)封裝材料的導(dǎo)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(fù)合材料發(fā)展的主要驅(qū)動(dòng)力。

在全球范圍內(nèi)，業(yè)界掀起了一股研究“碳金復(fù)材”的熱潮。例如，歐洲地平線2020項(xiàng)目“GreenDiamond”旨在利用金剛石超寬禁帶半導(dǎo)體開(kāi)發(fā)下一代功率器件，該項(xiàng)目正尋求采用Cu/Dia金屬基復(fù)材解決金剛石功率器件發(fā)熱量大的問(wèn)題；日本富士電機(jī)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(chǎn)品可靠性；臺(tái)灣省工業(yè)技術(shù)研究院研發(fā)出石墨體積分?jǐn)?shù)高達(dá)80%、熱導(dǎo)率高達(dá)550W/（m·K）（石墨平面方向）的鋁石墨復(fù)合材料，可應(yīng)用于3C散熱和封裝用housing等領(lǐng)域。

根據(jù)日本富士經(jīng)濟(jì)2019年11月發(fā)布的《散熱材料的全球市場(chǎng)調(diào)查》預(yù)測(cè)，2023年僅汽車(chē)（包括新能源汽車(chē)、自動(dòng)駕駛）和5G通信領(lǐng)域就將帶來(lái)10億美元量級(jí)的散熱基板市場(chǎng)，汽車(chē)動(dòng)力模塊及LED大燈將成為散熱基板增速最快的領(lǐng)域。未來(lái)5～10年，隨著第3代半導(dǎo)體器件的大規(guī)模應(yīng)用，以及軌道交通、航空航天、國(guó)防軍事等領(lǐng)域?qū)峁芾硇枨蟮牟粩嗵嵘咝阅芙饘倩鶑?fù)合材料及器件的市場(chǎng)規(guī)模將迅速達(dá)到百億人民幣量級(jí)。

4 競(jìng)爭(zhēng)格局初成，未來(lái)產(chǎn)業(yè)機(jī)遇可期

目前，國(guó)內(nèi)專(zhuān)門(mén)從事熱管理用金屬基復(fù)合材料研發(fā)的機(jī)構(gòu)數(shù)量較多，包括北京科技大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、國(guó)防科技大學(xué)、中南大學(xué)、北方工業(yè)大學(xué)和上海交通大學(xué)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(fā)展有限公司、北京寶航新材料有限公司等產(chǎn)業(yè)化公司。整體上看，上述研發(fā)單位均處于起步階段或者早期發(fā)展階段，一般為產(chǎn)業(yè)鏈中游企業(yè)做配套，出貨量仍較小。此外，上述單位具備量產(chǎn)/生產(chǎn)能力的產(chǎn)品主要為Al/SiC，但在熱導(dǎo)率更高的碳/金屬?gòu)?fù)合材料方面鮮有量產(chǎn)/生產(chǎn)的報(bào)道。

相較之下，歐洲企業(yè)和日本企業(yè)在“碳金復(fù)材”這類(lèi)高性能金屬基復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)化方面走在了前面。日本宇部興產(chǎn)和昭和電工2家產(chǎn)業(yè)巨頭均研發(fā)出熱導(dǎo)率400W/（m·K）以上的金屬基復(fù)合材料，并已在功率器件上得到應(yīng)用；日本先進(jìn)復(fù)材（Advanced Composite）和聯(lián)合材料（ALMT）2家公司具備強(qiáng)大的研發(fā)能力，專(zhuān)門(mén)為上述產(chǎn)業(yè)巨頭提供元器件。歐洲境內(nèi)從事“碳金復(fù)材”的企業(yè)已有集群化趨勢(shì)，產(chǎn)業(yè)巨頭如攀時(shí)（Plansee），研發(fā)型科技企業(yè)如RHP Technology、TECNISCO等，均具備強(qiáng)大的產(chǎn)業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力。中國(guó)、美國(guó)高性能金屬基復(fù)材企業(yè)多為軍工服務(wù)，在成本控制上處于劣勢(shì)，在民用領(lǐng)域的發(fā)展上還存在一定的瓶頸。

隨著“碳中和、碳達(dá)峰”政策的進(jìn)一步落地，寬禁帶半導(dǎo)體、化合物半導(dǎo)體將迎來(lái)需求的爆發(fā)，相關(guān)器件將向高性能、低功耗方向快速發(fā)展；隨著國(guó)際形勢(shì)的不斷變化，以及對(duì)太空探索的進(jìn)一步推進(jìn)，國(guó)防與航天等領(lǐng)域?qū)ζ骷阅軐⑻岢龈咭?。未?lái)數(shù)年，高熱導(dǎo)率金屬基復(fù)合材料將迎來(lái)黃金發(fā)展期，真正迎來(lái)大規(guī)模的產(chǎn)業(yè)化。中國(guó)相關(guān)科研單位和科技企業(yè)在金屬?gòu)?fù)合材料領(lǐng)域已有多年積累，尤其是在國(guó)防與航天等領(lǐng)域已具備產(chǎn)業(yè)化基礎(chǔ)，在全球產(chǎn)業(yè)競(jìng)爭(zhēng)中不懼對(duì)手。未來(lái)需要關(guān)注的主要方面，包括寬禁帶半導(dǎo)體等下游產(chǎn)業(yè)進(jìn)展、金屬基復(fù)材質(zhì)量控制與成本控制。

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