第 1 章 绪论1.1 研究背景随着微电子技术和集成电路工艺的不断进步，微电子器件的集成度、封装密度和工作频率迅速提高，导致功率与体积的比值日益增大、电子元器件的热流密度急剧增加。目前，绝缘栅双极型晶体管（IGBT）在服役过程中所产生的热流密度已超过 200 W/cm2；大功率 LED 芯片在照明过程中的热流密度甚至高达 400 W/cm2；未来全数字雷达 T/R 组件的热流密度甚至将超过 500 W/cm2。这些高功率密度电子元器件的芯片主要是半导体材料，如硅、砷化镓、碳化硅和氮化镓等。最常用的硅基半导体元件的正常工作温度较低，并且半导体元件的 PN 结温每增加 10℃，其可靠性下降 60%，直接影响半导体元件的能耗比、灵敏度和噪声系数等性能[1]。另外，根据电子设备可靠性统计，电子元器件失效超过 55%是由于温度过高所导致[2]。因此，高热流密度散热问题成为电子元器件热管理的新挑战。电子元器件常用的传统热管理材料主要有铝、铜以及铜合金等，如钨铜、钼铜和硅铝等[3]，它们虽然具有高热导率，但是因为它们与电子元器件材料的热膨胀系数存在显著差异，所以高温服役时往往会导致元件和热管理材料间的界面处产生热应力集中，往往导致界面破坏。为了缓解热膨胀系数失配引起的应力集中，低热膨胀的金属（钨、钼等）与铜的合金材料被广泛应用，这些合金材料具有较高的热导率，并拥有较低的热膨胀系数，可以与半导体材料的热膨胀系数相匹配，可以满足大功率密度半导体元器件的散热需求；但是，它们的密度较高，很难满足航天航空、国防军工等领域对电子设备的轻量化要求。因此，轻量化和低热膨胀的硅铝或碳硅铝复合材料被大量研究，但是它们的导热性能很难满足未来大热流密度高功率电子元器件的热管理需求。目前，为解决大热流密度电子元器件的散热问题，迫切需要开发出高导热、低膨胀和轻量化的先进热管理材料。目前，已知高导热和低密度的材料主要为高性能碳材料[4-7]，其中金刚石材料最引人关注，如工业界广泛使用的化学气相沉积（CVD）高品质金刚石，它是一种各向同性材料，其热扩散系数 2.8 ~ 11.6 cm2/s，导热系数高达 2200 W/(m•K)[8]；但是，金刚石是自然界中已知最硬材料之一，机加工难，并且大尺寸金刚石制品成本高昂。另外，低硬度的热解石墨（Pyrolytic graphite，TPG）是一种热导率各向异性的材料，但是室温下其 XY 面内热扩散系数可达 9.54 cm2/s，面内热导率高达1840 W/(m•K)，而法向热导率仅为 10 ~ 25...
