导热散热材料对于半导体电子元器件的重要性想必不用多说，但除了散热这一指标外，半导体器件所在的平面方向需要与之匹配的热膨胀系数这一要求也是不容忽视的，具备高导热性能的材料通常有陶瓷、金属、复合材料等。许多情况下，单一材料很难同时满足器件性能设计需求，而复合材料最大的特点在于其功能和性能的可设计性，合理选择复合材料各组元成分、含量或改变复合材料的热处理状态，可以实现复合材料性能调整。

示例：铝/金刚石热管理材料及其显微结构（表面化学镀镍金、化学镀或电镀金）:室温下热膨胀系数低至6ppm/K，与半导体材料兼容3.17g/cc的低密度，与铜合金散热器相比，可降低整体系统重量。典型应用包括用于RF和微波晶体管以及RFIC和MMIC封装（尤其是基于氮化镓-GaN的封装）的散热器和散热器、直流功率器件封装、激光二极管封装、光电子学的复杂载体以及LED和检测器；资料来源：NANO MATERIALS   INTERNATIONAL CORPORATION

碳材料是导热率较高的增强体候选材料，特别是以纯sp2和sp3杂化成键的碳材料（如石墨烯和金刚石）的热导率最高（原理解析见文末拓展阅读6）。以“碳”作为极具吸引力的增强体进一步提高金属基复合材料的导热性能被世界各国科学家争相研究，其中炭/铝复合材料由于其兼具轻质、高导热、热膨胀系数可调等优势，成为电子封装用散热材料的优选材料。

基于GaN的射频器件正在推动现有热管理材料的门槛。高热通量和对与器件材料（例如碳化硅）紧密匹配的低CTE散热器材料的需求推动了对更高导热率(>450W/mK)解决方案的需求。已开发出铝/金刚石来满足这一需求，其CTE为7.5ppm/K，热导率为500W/mK。

一、高导热碳增强相有哪些？

1.高定向石墨

高取向性石墨主要有天然鳞片石墨、高定向热解石墨、高结晶度石墨膜/块和柔性石墨片等。

#天然鳞片石墨#具有较高的纯度、完美的晶体取向、高结晶度、较大的微晶尺寸等特点，使得其成为制备高导热材料的重要原料。天然鳞片石墨具有高导热的性能以及低廉的成本。

天然鳞片石墨

#高定向热解石墨#（highly oriented pyrolytic graphite，HOPG）是热解炭或热解石墨在高温高压（3400~3600℃，10MPa）下处理得到的，形成沿石墨片层方向高度取向的多晶石墨。高定向热解石墨沿（002）基面方向热导率可达1600～2200W/（m·K），非常接近单晶石墨的性能。然而受制备工艺限制，成本较高，无法得到大规模应用。

#高结晶度石墨膜#是将高度定向的有机高分子薄膜（如聚酰亚胺PI、聚苯撑亚乙烯基PPV和聚恶二唑POD）在惰性气体条件下高温石墨化（2800～3200℃），得到的产物具有与高定向热解石墨类似的高度择优取向和高石墨化度。这种高结晶度和完美的取向排列使其沿薄膜表面方向具备极高的导热系数（1400-2000W/（m·K）），使用PI膜进一步制备了高导热定向石墨块，热导率可高达400~800W/（m·K）。

美国杜邦聚酰亚胺薄膜

柔性石墨片是以鳞片石墨为原料，经过膨化制备出蠕虫状膨胀石墨，再将膨胀石墨压延、压制得到高导热柔性石墨薄片，其室温热导率为200～700W/（m·K）。山西煤化所采取压延法制备的高导热柔性石墨薄板热导率可达630W/（m·K）。

卷状柔性石墨片及其生产线（NihonCarbon公司）

由于这种材料无需高温石墨化处理、制备工艺相对简单、制备成本较低，因此不仅可以作为高温密封材料，还可以作为电子器件/热沉间的界面散热垫片。此外，较薄的石墨片具有一定的柔韧性，可以弯曲收卷存放，使其低成本工业化生产得到加速。可用于LED等电子器件的散热片，以及其它对材料强度要求较低的散热领域。

2.纳米碳材料

高导热方面应用的纳米碳材料主要包括#石墨烯#和#碳纳米管#两类。基于理论研究计算石墨烯的热导率可达5150W/（m·K）以上。石墨烯极高的热导率使得它可以在热管理材料中占有非常重要的位置，如作为增强体可以大幅度提高聚合物基复合材料的热导率。不过，目前工业批量生产的严格上并不属于石墨烯，甚至于低于10层的勉强成为石墨烯的都比较少。碳纳米管是由石墨烯卷曲构成的中空管状结构。沿着管壁方向，呈现出类似石墨烯的高导热性能，碳纳米管的室温热导率测量值可达3000W/（m·K）。对于碳纳米管和石墨烯，作为纳米级别的高导热增强体候选材料，一个是要解决尺寸效应带来的界面热阻问题，另一个是解决定向排布的问题。

石墨烯→碳纳米管

3.碳纤维

高导热碳纤维主要是指沥青基碳纤维，其制备原料是中间相沥青。在制备过程中，沥青呈现液晶状态，固有的分子定向排布被保留下来，沿纤维轴向石墨微晶发育完整（中间相沥青纤维具有高度石墨结构），微晶尺寸较大并沿轴向高度择优取向，因此沿轴向具有较高的热导率。

通用级碳纤维（各向同性沥青制备）和高性能沥青纤维（中间相沥青制备）可以清晰的看到，中间相沥青纤维具有高度石墨结构

拓展阅读：

诺科碳材料：高导热中间相沥青基碳纤维粉应用研究（报告）

4.泡沫碳

高导热泡沫碳通过中间相沥青加工而成，具有一定程度的各向异性，不同方向的热导率分布为40~180W/（m·K），密度为0.2~0.6g/cm3，这种泡沫结构的高导热来源于其高度石墨化的骨架结构，沿骨架壁结构的热导率可高达1800W/（m·K）以上，其特定泡沫结构可用于相变导热材料的高导热骨架。

5.金刚石和类金刚石薄膜

金刚石的热导率极高，最高可达2000W/（m·K）以上，并且具有极高的硬度以及良好的绝缘性能，是非常理想的电子元器件散热材料，但同时也具有价格昂贵的特点。

颜值及智商都在线的金刚石

二、高导热炭/铝复合材料案例

1）碳纤维/铝复合材料。其导热性能影响因素主要为纤维种类、体积分数、金属基体、排布取向以及复合材料的界面。美国金属基复合材料公司（MMCC）采取短切碳纤维增强制备的铝基复合材料，热导率可达200W/（m·K）以上，并且其热膨胀系数与半导体材料的热膨胀系数相匹配。美国军工企业洛克菲勒马丁公司在海军电子系统中大量采用Cf/Al复合材料作为封装组件，达到减重效果。

2）金刚石/铝。金刚石/铝和金刚石/铜是第四代电子封装用金属基复合材料，其出现的主要原因是Si/Al和SiC/Al无法跟上高密度高功率电子器件更新换代的封装散热需求，可用于IGBT底座、电子器件散热板等方面。案例见开篇第一张图。

3）碳纳米管/铝（或铜）和石墨烯/铝（或铜）。碳纳米管与石墨烯具有非常高的热导率，由于其卓越的力学和物理性能，碳纳米管和石墨烯增强金属基复合材料已经引起了广泛关注，目前的研究大多集中在力学性能报道方面。。纳米碳在金属基体中的分散和定向排列一直是技术上的难点，使其一直停留在实验室阶段，无法走向大规模应用。

4）鳞片石墨/铝。德国弗劳恩霍夫研究所通过粉末冶金SPS放电等离子烧结技术，制备出了以钨、铁、铝和铜为基体的鳞片石墨增强金属复合材料，呈现出较高的热物理性能。制备的60vol%鳞片石墨增强铜基复合材料热导率可达到550W/（m·K）。

 

更多信息请看参考文献及网址：

1.高导热炭/铝复合材料的研究进展；北京空间飞行器总体设计部；李文君，吴琪，苗建印。

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

 

拓展阅读：

1、材料系列科普9：同样是tan，“碳”与“炭”有何不同

2、金刚石/铜高导热复合材料界面问题解决方法

3、这些“高导热石墨膜”大不同

4、各向同性石墨与各向异性石墨傻傻分不清

5、金属基复合材料会是下一代高导热电子封装材料吗？

6、白石墨六方氮化硼与石墨结构相似，为啥h-BN不导电？

 

粉体圈编辑：Alpha

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