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~

1 电子封装材料

1、J. Electron. Packaging：晶圆级芯片封装中多种Sn-xAg-Cu0.7焊料凸点循环疲劳可靠性的优化设计

电子设备的小型化和高电流密度引起的焦耳热可能导致焊点遭受周期性应力和应变，最终导致倒装芯片封装中焊点的热疲劳失效。

最近，台湾成功大学的研究人员全面研究了不同温度条件下Sn-xAgCu0.7焊料中Ag含量（0-3 wt%）对微观结构特征和低循环疲劳的影响。Sn-Cu0.7的固相线从228.8℃逐渐降低到218.5℃，固液共存相的温度范围也同步减小，以增加Ag含量。Sn-Cu0.7基体由β-Sn等轴晶粒内的Cu6Sn5小颗粒组成，对焊料硬度没有显著影响。由于Sn-xAgCu0.7焊料中存在大量板状Ag3Sn和棒状Cu6Sn5金属间化合物，在Ag3Sn沉淀的密集网络和近共晶点等因素的影响下，使硬度得到了提高。塑性位移随着Ag含量的增加而减小，当Ag含量达到1.5 wt%时，得到更好的疲劳寿命。还发现尤其是在80℃和120℃时，Sn-3.0Ag-Cu0.7焊料界面中较厚金属间化合物（IMC）层产生的裂纹会降低老化性能。该工作提出了等温疲劳试验中焊料中所含Ag量不同时的微观结构演变，为研究Ag在Sn-Ag-Cu（SAC）接头中的作用提供了明确的参考。该项研究以“Optimized Design of Various Ag Decorated Sn-xAg-Cu0.7 Solder Bump on Cycling Fatigue Reliability for Wafer-Level Chip Scale Packaging”发表于J. Electron. Packaging上。

图1. 不同Ag含量焊料的硬度

论文链接：

https://doi.org/10.1115/1.4052075

2、IEEE T. Comp. Pack. Man.：后道工艺的水分扩散问题（FC-PBGA）

后道工艺（back end of line，BEOL）的水分扩散问题对电子设备的可靠性影响至关重要，水分会导致机械应力、湿胀和局部压力变化等问题，从而使互连结构分层和断裂。

最近，舍布鲁克大学等机构的研究人员研究了关键区域（例如倒装芯片塑料球栅阵列封装（FC-PBGA）中的硅与有机衬底界面）的水分扩散问题。首先在17 mm×17 mm硅片的BEOL集成了许多对湿度阻抗传感器，传感器由能够通过原位空间测量准确表征水分的专用定制电路读取。在高达75%的相对湿度下，FC-PBGA模块上的采集系统获得的实验结果显示了多壁碳纳米管（MWCNT）传感器在吸湿和脱附过程中的水分行为。伴随相对湿度不断增加，该行为最初遵循菲克定律，400小时后观察到渐近行为。通过BEOL中集成的大量传感器，在吸收测试期间检测到相对湿度的增加：首先是横向湿锋以约90 μm/h的恒定速度移动通过底部填充胶，保持30小时后，水分通过有机基板发生更复杂的扩散。该项研究提出的全嵌入式采集链可应用于表征不同填料含量的水分扩散行为，从而预防微电子系统互连结构的失效问题。该项研究以“Moisture Diffusion Inside the BEOL of an FC-PBGA Package”发表于IEEE T. Comp. Pack. Man.上。

图2. 带有嵌入传感器（黄色块）的FC-PBGA模块示意图

论文链接：

DOI 10.1109/TCPMT.2022.3226139

3、IEEE T. Comp. Pack. Man.：功率模块用高温封装材料技术和未来发展趋势

目前，以碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）为代表的宽带隙（WBG）半导体在功率模块中的应用受到其封装材料热稳定性不足的限制，尤其是当工作温度升至200℃以上时。根据玻璃化转变温度（Tg）的差异，可以将典型的封装材料分为两类：以环氧树脂（EP）为代表的的硬封装材料（Tg>最高工作温度）和以硅凝胶（SG）为代表的软封装材料（Tg<最低工作温度）。然而，两类材料在较高的工作温度（超过200℃）下都面临可靠性问题挑战。

最近，复旦大学工程技术研究院的研究人员发表综述文章，分别从Tg和热膨胀系数（CTE）维度出发，讨论了EP和SG材料的最新研究进展。对于EP材料来说，它们的Tg通常在150℃左右，无法满足200℃以上的应用需求。而对于SG材料而言，由于其往往在超过Tg的温度下工作，并且SG材料的高CTE与芯片和其他封装材料不匹配，这将导致功率模块封装的失效问题。该团队通过分析学术研究和产业应用方面的最新成果，总结出具有高Tg和合适CTE的材料列表，同时介绍了高Tg聚合物（包括环氧氰酸酯（EP-CE）共混体系、邻苯二甲腈（PN）和生物基聚合物）和一些创新材料（包括水泥、玻璃和绝缘液体）。通过提供广泛的材料选择和相关的选择标准，为开发高温封装材料提供了参考。该文章以“High-temperature Encapsulation Materials for Power Modules: Technology and Future Development Trends”发表于IEEE T. Comp. Pack. Man.上。

图3. EP-CE共混体系、生物基EP、其他聚合物、新型材料和PN树脂的最大工作温度范围

论文链接：

DOI 10.1109/TCPMT.2022.3225960

2 电介质材料

1、Composites Part A：用于介质电容器的具有良好击穿强度和能量密度的柔性纤维素/PVDF复合膜

储能领域迫切需要具有高充放电效率和能量密度的环保型介电材料。纤维素具有可再生、无污染、来源广泛、价格低廉等优点。然而纤维素容易吸水，将导致在潮湿环境中储能密度的降低。

近日，武汉理工大学的研究人员采用浸渍法制备了再生纤维素/聚偏氟乙烯（RC-PVDF）介电复合膜。在这项工作中，PVDF用来降低纤维素的亲水性。当PVDF溶液的浓度为3 wt%时，复合材料的综合性能最好。在410 MV/m的电场下，RC-PVDF的储能密度达到8.3 J/cm3，分别比RC和PVDF高144%和176%。这项工作拓展了纤维素在潮湿环境中的应用，为开发高性能生物聚合物基介电材料提供了良好的选择。相关研究以“Flexible cellulose/PVDF composite films with improved breakdown strength and energy density for dielectric capacitors”发表于Composites Part A上。

图4. 不同电场下PVDF和RC-PVDF复合材料的放电能量密度和充放电效率

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.compositesa.2022.107325

3 热管理材料

1、J. Mater. Chem. A：具有优异拉伸性、低热阻和高效自修复能力的复合弹性热管理材料

导热聚合物基复合材料具有优异的可拉伸性、高效的自修复能力、可回收性和高导热性，一直是现代电子工业中的热门研究对象。然而，由于复合材料结构和组成的复杂性，如何将这些优异的性能进行整合仍然具有挑战性。

近期，深圳先进电子材料国际创新研究院、中国科学院深圳先进技术研究院和广东工业大学的研究人员通过制造共价自适应网络并引入超分子相互作用，制备了聚（硫辛酸）/铝（聚（TA）/Al）复合弹性材料。在该材料内，普遍存在的超分子相互作用提供了增强的界面相互作用，结合弹性共价自适应性网络，使材料具有优异的拉伸性（1640%）、显著提高的导热性（1.83 W mK−1） 以及高效的自修复能力（在80°C时拉伸伸长率和导热率分别为96%和98%）。此外，动态可逆的共价自适应网络确保了材料的固态塑性和热致可循环性，可以保持材料理想的机械和导热性。该工作为设计具有拉伸性和可循环使用的导热自修复复合材料提供了一种实用方法，有望应用于先进电子器件中。该研究以“Superior stretchable, low thermal resistance and efficient self-healing composite elastomers for thermal management”发表在J. Mater. Chem. A上。深圳先进电子材料国际创新研究院热管理材料研究中心在读硕士研究生王振宇为该论文的第一作者，曾小亮副研究员、任琳琳副研究员为共同通讯作者。

图5. 聚（TA-DIB（二异丙烯基苯）-Al）弹性体的设计和性能

论文链接：

https://doi.org/10.1039/D2TA05781F

4 电磁屏蔽材料

1、Small：具有水平方向磁性隔离网络、用于高效热管理及电磁吸收的碳纤维弹性体

为了解决高度集成化电子器件的散热和电磁干扰等问题，迫切需要开发出能够高效吸收电磁波的多功能热管理材料。然而，单一材料的热导率（λ）和电磁波吸收性能往往互相制约。

近期，深圳先进电子材料国际创新研究院、中国科学院深圳先进技术研究院的研究人员报道了一种NiCo2O4/氧化石墨烯/碳纤维(NiCO@CFs)弹性体复合材料，该材料具有高导热性、高效电磁吸收和优异的压缩性。由于NiCO@CFs弹性体在垂直方向具有贯穿厚度的碳纤维（CF）阵列以提高面外热导率，且在水平方向具有NiCo2O4磁性隔离网络以提高阻抗匹配和吸波性能，该材料实现了高面外热导率（λ⊥=15.55 W m-1K-1）和优秀吸波性能（最小反射损耗RLmin=-55.15 dB，有效吸收带宽EAB=8.25 GHz）。该项工作巧妙地通过构建热/电/机械通路的结构设计，成功实现了出色的导热、电磁波吸收与机械柔性的多功能一体化集成，为开发应用于电子器件中的高性能多功能材料提供了一种有前景的路径。该文章以“A Through-Thickness Arrayed Carbon Fibers Elastomer with Horizontal Segregated Magnetic Network for Highly Efficient Thermal Management and Electromagnetic Wave Absorption”发表于Small上。深圳先进电子材料国际创新研究院电磁屏蔽材料研究中心在读硕士研究生张震为该论文的第一作者，胡友根副研究员、林志强副研究员为共同通讯作者。

图6. 具有贯穿厚度的阵列化取向结构NiCO@CFs弹性体的制备与表征

论文链接：

https://doi.org/10.1002/smll.202205716

5 热电材料

1、Nano Energy：具有优异热电性能，用于低温余热收集的N型柔性Bi2Se3 /SWCNTs复合膜

由于聚合物有限的热电性能和无机材料的固有刚性，很难获得低成本、高柔性和高性能的n型热电材料和器件。

近期，中国科学院大学的研究人员使用低成本溶剂热法成功地合成了n型柔性自支撑热电薄膜，该薄膜由Bi2Se3纳米片和单壁碳纳米管（SWCNT）组成。通过在SWCNT上生长具有优异结晶度和菱形形貌的Bi2Se3纳米片，得到优化的Bi2Se3/SWCNTs复合膜，表现出292.7 S cm−1的高电导率和−42.4 μV K−1的塞贝克系数，进而实现了52.7 μW m−1的理想功率因数。此外，由于Bi2Se3纳米片与SWCNT的交织，复合膜表现出优异的柔韧性，在半径为3.5 mm的棒周围进行5000次弯曲循环实验后，热电性能几乎保持不变。该复合膜组成的热电器件在58 K的温度梯度下，产生的电压和功率密度分别为11.5 mV和86.2 μW cm−2，进一步显示出其实用性。这项工作为制备具有高热电性能的其他n型柔性热电薄膜提供了参考。该项研究以“N-type flexible Bi2Se3 nanosheets/SWCNTs composite films with improved thermoelectric performance for low-grade waste-heat harvesting”发表于Nano Energy上。

图7. 柔性Bi2Se3/SWCNTs复合膜的制备工艺

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2022.107907

来源、编辑：战略研究办公室