跟小编一起来看看近期国内外电子材料领域都有哪些最新研究进展把~

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电子封装材料

1、J. Appl. Polym. Sci.：具有高导热性和阻燃性的Al2O3/h-BN/环氧基电子封装材料

为保证集成电路和微电子元器件的长期稳定运行，环氧封装材料需要具有高导热性来实现高效散热，并且在过热的情况下还需具有出色的阻燃性。

近日，华中科技大学的研究人员通过填充聚多巴胺（PDA）改性纳米Al2O3球体和微米级六方氮化硼（h-BN）片得到了一种具有高导热性和阻燃性的环氧复合材料。PDA的改性增加了填料和环氧树脂之间的相容性，大幅降低了材料的粘度，改善了填料在环氧树脂中的分散性，从而提高了复合材料的导热性。此外，PDA中酚羟基和氨基在燃烧过程中产生的NH3、H2O和N2与Al2O3和h-BN的物理阻挡效应相结合，提高了复合材料的阻燃性。实验结果表明，填充了PDA改性的Al2O3（26.67 wt%）和h-BN（13.33 wt%）的环氧复合材料（即PDA-BNAO/EP，BNAO为Al2O3和h-BN）热导率为1.192 W/mK（为环氧树脂的654.9%），峰值放热率为194.9 W/g（为环氧树脂的33.8%），总放热量为15.2 kJ/g（为环氧树脂的54.5%）。此外，PDA-BNAO/EP的粘度为20443 mPa s，仅为BNAO/EP粘度（102281 mPa s）的20%。更重要的是，PDA-BNAO/EP具有电子封装材料所需的良好动态力学性能和电绝缘性能，储能模量为14.69 Gpa，玻璃化转变温度为91.9°C。因此，该复合材料有望广泛应用于电子封装中。该研究以“Al2O3/h-BN/epoxy based electronic packaging material with high thermal conductivity and flame retardancy”发表于J. Appl. Polym. Sci.上。

图1. EP、BNAO/EP和PDA-BNAO/EP的导热性能比较及热传导路径示意图

论文链接：

https://doi.org/10.1002/app.53291

2、IEEE T. Comp. Pack. Man.：用于宽频毫米波键合线互连的具有埋入式电容的紧凑型片上焊盘结构

近年来，随着通信技术的快速发展，低成本小型化毫米波封装在28 GHz本地多点分布服务（LMDS）、60 GHz无线局域网（WLAN）和77 GHz汽车雷达中的应用迅速增长。天线与芯片之间的宽带低损耗互连是毫米波封装的关键研究领域。

最近，中山大学的研究人员提出一种用于毫米波键合线互连的具有埋入式电容的紧凑型片上焊盘结构。该结构通过65 nm互补金属氧化物半导体（CMOS）工艺实现，能够补偿键合线引入的寄生电感。通过金属堆叠构成的焊盘结构等效于片上串联电容器。此外，在焊盘的底部负载深N阱结构以减小寄生焊盘对地电容。该焊盘结构用于芯片与芯片之间的互连，其最小插入损耗（insertion loss，IL）为2.179 dB，11.9 GHz的3 dB带宽为35.6 GHz到47.5 GHz。此外，它还可用于芯片与PCB之间的互连，单侧损耗为1.7475 dB，12 GHz的3 dB带宽为22.7 GHz到34.7 GHz。上述结果表明，这种焊盘结构可以补偿键合线电感并实现宽带低损耗阻抗匹配，因此该互联结构在毫米波频段的低成本多芯片互连和大规模相控阵集成中具有广泛的应用前景。该项研究以“A Compact On-chip Pad Structure with an Embedded Capacitor for Broadband Millimeter-wave Bond-wire Interconnection”发表于IEEE T. Comp. Pack. Man.上。

图2. 芯片与芯片、芯片与PCB互联的3D模型示意图

论文链接：

DOI: 10.1109/TCPMT.2022.3218593

3、J. Appl. Polym. Sci.：含氟超支化聚硅氧烷的合成及其对环氧树脂导热性能的影响

环氧树脂（EP）作为一种经典的热固性聚合物，因其优异的机械性能和热稳定性而广泛应用于涂料、粘合剂和电子封装。然而，较差的导热性在一定程度上限制了其在微电子元件中的应用。

近日，西安大学的研发人员通过溶胶-凝胶工艺和简易的酯交换工艺分别制备了两种新型含氟超支化聚硅氧烷（F-HBPSi-1和F-HBPSi-2），然后将这两种F-HBPSi用作改性剂，与EP相共混，得到两种新的聚合物体系F-HBPSi-1/EP和F-HBPSi-2/EP。通过测试发现，这两种F-HBPSi/EP的热导率和热稳定性都得到了明显提高，并且不会影响它们的介电性能。同时，F-HBPSi-2/EP比F-HBPSi-1/EP具有更好的导热性和热稳定性，得益于F-HBPSi-2/EP较低的粘度和优异的相容性，以及氟和硅之间的良好协同作用。该方法为应用于微电子领域的高导热环氧树脂的开发提供了一条有前景的路径。该文章以“Synthesis of fluorine contained hyperbranched polysiloxane and their effect on the thermal conductivity of epoxy resins”发表于J. Appl. Polym. Sci.上。

图3. 不同种类和含量的F-HBPSi/EP的导热系数

论文链接：

https://doi.org/10.1002/app.53315

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电介质材料

1、Adv. Mater.：调控苯乙烯马来酸酐共聚物网络实现全聚合物电介质在高温下的超高能量密度和充放电效率

聚合物薄膜电容器由于其高功率密度、快速充放电速度和高稳定性等优点，已广泛应用于电子和电力系统。然而，电导率随温度和外加电场的指数增长会显著降低介电聚合物在高温下的电容性能。

近日，南方科技大学等机构的研究人员首次报道了通过调控分子结构来控制全有机交联聚合物中电荷陷阱能级，从而显著降低高场高温传导损耗的实例。这种方法不同于当前引入无机填料的方法，聚合物网络的交联结构被优化后，具有7.02 J cm−3的超高放电能量密度，在150°C下充放电效率大于90%，远优于当前的介电聚合物和复合材料。实验和计算证明，不同交联结构中的电荷俘获效应是高温电容性能得到显著改善的根本原因。此外，聚合物薄膜电容器还具有优异的循环性能和自修复特性。这项工作为能够在恶劣环境下工作的可扩展高能量密度聚合物电介质的分子结构设计提供了一条有前景的途径。相关研究以“Tailoring Poly(styrene-co-maleic anhydride) Networks for All-Polymer Dielectrics Exhibiting Ultrahigh Energy Density and Charge-Discharge Efficiency at Elevated Temperatures”发表于Adv. Mater.上。

图4. 本工作交联聚合物的性能与文献对比

论文链接：

https://doi.org/10.1002/adma.202207580

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热管理材料

1、Nat. Commun.：利用三维导热网络和电卡制冷的协同效应在设备原型上对芯片进行热管理

随着5G芯片的加速开发，建立高效的散热结构和对高热量的精准热管理成为高功耗电子产品面临的重大挑战。

近期，南京大学等机构的研究人员构建了一种具有高导热路径的电热聚合物互穿结构，使聚合物的电热性能和热导率分别提高了240%和300%。利用这种电热复合材料和电磁驱动，研究团队制造了用于5G芯片的单热点冷却的设备原型的放大版。聚合物中嵌入式的连续三维导热网络在外加电场下充当有序偶极子的成核位点，有效地在场驱动偶极子熵变化引起的热点处收集热能，并打开声子的高速传导路径。因此，两种组分的协同作用解决了电活性聚合物及其低热导接触界面的散热问题，并且显著降低了在电热循环期间切换偶极状态的电能。该方法为下一代智能微电子器件的精准定点热管理提供了一种可行的解决方案。该研究以“Thermal management of chips by a device prototype using synergistic effects of 3-D heat-conductive network and electrocaloric refrigeration”发表在Nat. Commun.上。

图5. 3-3铁电聚合物/陶瓷复合材料（3-3 PCC）与纯聚合物导热性能比较

论文链接：

https://doi.org/10.1038/s41467-022-33596-z

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电磁屏蔽材料

1、Compos. Part B-Eng.：电场辅助原位制备用于电磁干扰屏蔽的电导率可调的碳/氧化锆纳米复合材料

碳/陶瓷纳米复合材料被认为是恶劣环境中用于电磁干扰屏蔽（EMI）的理想候选材料。然而，传统的碳/陶瓷复合材料制造方法通常复杂、昂贵且耗时。

近日，清华大学的研究人员通过施加直流电场的方法完成了碳/氧化锆纳米复合材料的原位制备。施加直流电场后，在热压烧结过程实现了氧化锆陶瓷中类石墨烯碳纳米片（GCN）的直接生长，从而一步得到了具有高电磁屏蔽效率（>40 dB）和高机械强度（>1000 MPa）的GCN/氧化锆纳米复合材料。另外，施加直流电场可以显著增强烧结过程中的渗碳作用，并且在氧化锆晶界处原位形成GCN。当初始电场恒定时，可以简单地通过调节电流密度来控制原位形成的GCN的量，从而得到可调的电导率。这些发现将为碳/陶瓷EMI屏蔽材料和直流电场辅助烧结技术的实验和理论研究提供新的机会。该研究以“Electric field-assisted in situ fabrication of carbon/zirconia nanocomposites with tunable conductivity for electromagnetic interference shielding applications”发表于Compos. Part B-Eng.上。

图6. 外加电场烧结样品制造过程示意图及电磁屏蔽效能与文献对比

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2022.110254

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热电材料

1、J. Mater. Chem. C：通过简易可扩展的单步热蒸发法制备具有超高热电功率因数的复合SnSe/Bi薄膜

通过热电效应能够将热能直接转化为电能，因此可以将传统能源产生的废热利用起来，从而提高能源利用效率。

最近，皇家墨尔本理工大学等机构的研究人员报道了一种简单的复合SnSe/Bi薄膜的制备方法，该薄膜具有超高的功率因数（PF），表现出优异的热电性能。这种复合薄膜通过热蒸发技术在Si/SiO2基底上沉积得到，由于BiSe、SnSe和金属Bi等不同相的存在，复合薄膜表现出n型特征。随着复合薄膜中Bi质量分数的增加，薄膜的金属性增强，导致塞贝克系数（S）降低，电导率（σ）增加。Bi含量为25 wt%的复合SnSe/Bi薄膜在580 K时的最大功率因数约为800 µW m-1 K-2。优异的热电性能使得该薄膜有望应用于自供电可穿戴设备和物联网领域中。该项研究以“The ultra-high thermoelectric power factor in facile and scalable single-step thermal evaporation fabricated composite SnSe/Bi thin film”发表于J. Mater. Chem. C上。

图7. SnSe/Bi薄膜的塞贝克系数、电导率和功率因数

论文链接：

https://doi.org/10.1039/D2TC03719J

图文 | 战略研究办公室

编辑 | 宣传办