1 电介质材料

1、Nature Materials ：高熵增强电容储能

静电介质电容器由于其超快的充放电速度和高功率密度，是先进电子和电力系统中必不可少的元件。然而，如何提高它们的能量密度，以满足下一代应用对小型化、集成化的需求，已成为当前的主要挑战。

最近，清华大学等机构的研究人员报道了一种高熵稳定的Bi2Ti2O7基介电薄膜，其在6.35 MV cm-1电场下的能量密度高达182 J cm−3，效率为78% 。研究表明，调节原子构型熵可以引入有利且稳定的微观结构特征，包括晶格畸变的纳米晶粒和无序的类非晶相，能够提高击穿强度并减少极化反转迟滞，从而协同提高储能性能。这种高熵方法有望广泛应用于高性能电介质材料的开发。该研究成果以“High-entropy enhanced capacitive energy storage”发表于Nature Materials上。

图1. 高熵薄膜中的晶格畸变、纳米晶粒和无序的类非晶相可协同提高储能性能

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41563-022-01274-6

2、J. Mater. Chem. A：同时具有大能量密度和高效率的介质电容器用NaNbO3-(Sr,Bi)TiO3-Bi(Mg,Zr)O3弛豫铁电陶瓷

高性能电介质材料是多层陶瓷电容器（MLCC）的关键材料，特别是先进储能、脉冲功率技术的快速发展，对其提出了迫切需求。然而，在一种材料中同时实现高储能密度（Wrec）和高效率（η）仍然是一个挑战。

最近，中国科学院上海硅酸盐研究所等机构的研究人员基于畴结构和带隙工程设计了一种新型的NaNbO3基0.88(0.85NaNbO3-0.15Sr0.7Bi0.2TiO3)-0.12Bi(Mg0.5Zr0.5)O3 (NN-SBT-BMZ)弛豫铁电陶瓷。通过NN-SBT-BMZ复合固溶体的形成，实现了无序度的提高和固有电子带隙的增加。这种材料表现出增强的极化-电场线性关系和击穿强度，同时获得了7.59 J/cm3的超高储能密度和81.3%的高储能效率，并显示出优异的温度稳定性（超宽温度范围-120℃-180℃）、频率稳定性（10-150 Hz）和循环稳定性（最多106个循环）。此外，充放电测试表明，样品具有优异的功率密度（76.78 MW/cm3），超快的放电速率（t0.9～35 ns），在介质电容器领域具有潜在应用前景。相关研究工作以“Simultaneously achieving large energy density and high efficiency in NaNbO3-(Sr,Bi)TiO3-Bi(Mg,Zr)O3 relaxor ferroelectric ceramics for dielectric capacitor applications”发表于J. Mater. Chem. A上。

图2. 同时具有大能量密度和高效率的弛豫铁电陶瓷

论文链接：https://doi.org/10.1039/D2TA01808J

2 热管理材料

1、Chem.  Eng.  J. ：受壁虎启发的粘合结构能够在高度不匹配的系统中有效地实现热导和振动耗散

聚合物基热界面材料（TIM）的热导率和振动耗散之间往往存在权衡。实现有效的热管理需要足够高的填料含量，然而，这会反过来增加TIM的储能模量，从而影响其阻尼性能。

最近，受自然界壁虎攀爬的启发，深圳先进电子材料国际创新研究院的研究人员设计了一种具有丰富短悬挂的梳刷状共聚物，可以适应组成材料（TIM/基板）和复合材料内部（聚合物/填料）高度不匹配的界面。实验表明，调整梳刷状共聚物的重量比可获得最佳的导热系数（4.9±0.1 W·m−1·K−1）和接触热阻（0.2±0.05 K·cm2·W−1）。此外，聚合物/填料之间范德华相互作用的解离和展宽的弛豫谱有效地耗散了振动能量，使TIM在较宽的频率范围（＞0.5 Hz）内具有优异的阻尼能力。这项研究为下一代高性能TIMs的开发指出了一个有希望的方向，在智能互联汽车领域有潜在应用价值。研究论文以“Gecko-inspired adhesive structures enable efficiently thermal conductance and vibration dissipation in a highly mismatched system”发表于Chem. Eng. J.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博士后范剑锋为第一作者，任琳琳副研究员为通讯作者。

图3. 受壁虎启发的粘合结构能够在高度不匹配的系统中有效地实现热导和振动耗散

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2022.136754

3 电磁屏蔽材料

1、ACS Nano ：具有优异透明电磁屏蔽性能的2D单层膜

随着无线通信技术的快速发展，需要能够选择性地允许可见光传输并防止低频GHz电磁干扰（EMI）的材料。尽管石墨烯、过渡金属二卤化物和MXenes等2D材料显示出此类应用的前景，但具有较高可见光透过率（Tvis）和屏蔽效能（SE）的2D单层膜方面的进展甚微。由于结构和成分的多变性，二维材料空间太大，无法进行系统的实验研究。

为了应对上述挑战，MIT的研究人员进行了高通量计算筛选。利用原子第一性原理方法，同时计算了7000种2D单层材料的Tvis和SE，从中发现26种单层材料具有>98% Tvis和>5 dB SE的优异性能（约70% EMI衰减）。研究团队首选了AgSe2单层材料，预测其Tvis为98.53%，SE为12.53 dB（约94% EMI衰减），比目前最先进的石墨烯性能更好（Tvis=96.7%，SE=3.04 dB）。此外，研究团队还深入分析了这种2D单层膜的透明EMI屏蔽性能及其电子结构，并阐明了表面终端和近自由电子态的作用。该研究成果以“2D Monolayers for Superior Transparent Electromagnetic Interference Shielding”发表于ACS Nano上。

图4. 具有优异透明电磁屏蔽性能的2D单层膜

论文链接：https://doi.org/10.1021/acsnano.2c02556

4 热电材料

1、Nano Energy ：晶体对称性使六方GeSe(MnCdTe2)x具有高热电性能

高对称性有利于获得高功率因数，然而，晶体对称性在提高材料热电性能方面的作用尚不十分明晰。

近期，深圳大学等机构的研究人员利用晶体对称性和本征点缺陷之间的相互作用成功实现了IV-VI半导体GeSe的高zT。由于Ge空位的形成能较高，原始正交GeSe的zT值较低（约0.05），因而载流子浓度较低（约1016 cm−3)。用MnCdTe2合金化GeSe可以稳定高对称性的六方结构，从而有效地降低Ge空位的形成能，并将载流子浓度提高四个数量级。同时，与正交GeSe相比，六方Ge1-yBiySe(MnCdTe2)x具有更高的谷简并度和更小的带有效质量，使得Seebeck系数和载流子迁移率更大。体系中生成的多尺度微结构，包括原子尺度的本征Ge空位和取代点缺陷、纳米尺度的畴结构和微米尺寸的第二相，均有效降低了晶格热导率。Ge0.96Bi0.04Se(MnCdTe2)0.10在723 K时达到了~1.0的zT值。这些结果证明了晶体对称性和本征点缺陷之间的相互作用在获得高性能GeSe基和其他热电材料方面的有效性。该研究工作以“Crystal symmetry enables high thermoelectric performance of rhombohedral GeSe(MnCdTe2)x”发表于Nano Energy上。

图5. 晶体对称性使六方GeSe(MnCdTe2)x具有高热电性能

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2022.107434

5 电子封装材料

1、IEEE Trans.  Comp. Pkg.  Man.  Tech.：显示驱动芯片COF封装中金属粒子的介电击穿

电气测试是检测显示驱动IC（DDI）COF（Chip-on-Flex）封装制造中电气故障的最后一步。

近日，韩国三星电子等机构的研究人员报道了几个案例，在显示测试或面板级老化测试期间，通过直流电测试证明良好的COF封装后来发生了电气短路。聚焦离子束（FIB）横截面分析表明，在有缺陷的COF封装中，两条导线之间存在金属颗粒。在导线和金属颗粒之间存在填充了底部填充材料的亚微米间隙，间隙大小从50 nm到500 nm不等。间隙底部填充层中存在空隙、分层和裂纹。结果表明，在显示测试期间，导线和金属颗粒之间亚微米间隙中的底部填充材料在高电场下降解，并最终因介电击穿而短路。相关研究内容以“Dielectric Breakdown by Metallic Particles in COF Packaging for Display Driver IC”发表于IEEE Trans. Comp. Pkg. Man. Tech.上。

图6. 失效COF封装的图像和元素分析

论文链接：DOI: 10.1109/TCPMT.2022.3176393

2、Chem. Eng.  J. ：新型杂化锆-硅树脂作为高温胶黏剂及其耐热机理研究

为了保证先进设备在高达1500℃的极端环境下的服役性能，迫切需要开发具有优异耐热性的粘结材料。

最近，哈尔滨工业大学的研究人员通过在与烷氧基硅烷共聚缩合过程中添加正丙醇锆（ZTP）作为结构控制组分，合成了一种新型杂化锆-硅树脂（ZAS树脂），并提出了其高温下结构晶体转变相图。Zr的加入显著提高了材料的耐热性。在1000℃氩气气氛下，残余重量增加了168.2%，从最初的31.58%增加到84.71%。室温下和1200℃烧蚀0.5h后，ZAS33树脂的结合强度分别提高了296.1%和92.8%。该树脂在至少6个月内具有优异的贮存稳定性，大大拓宽了其作为耐高温粘接材料的应用前景。相关研究工作以“Novel hybrid zirconium-silicone resin as high-temperature adhesive and an insight into the thermal resistance mechanism”发表于Chem. Eng. J.上。

图7. 可用作高温胶黏剂的新型杂化锆-硅树脂材料

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2022.137350

3、IEEE Trans. Comp. Pkg. Man. Tech.：RDL-First扇出型面板级封���的翘曲估计力学建模对比

为了满足低成本、薄型化和多功能的要求，扇出型面板级封装（fan-out panel-level packaging，FO-PLP）被引入到下一代封装技术中。然而，在温度循环过程中，FO-PLP的翘曲问题仍然是一个关键问题。因此，利用有限元分析（FEA）来估计FO-PLP的翘曲，并揭示翘曲诱导失效的主要机制至关重要。

近日，台湾清华大学的研究人员提出了三种等效材料方法（零变形法、力平衡法和改进的Timoshenko双材料法）以解决复杂RDL带来的封装翘曲计算瓶颈问题，并对其进行了比较。为了验证这些方法，进行了实验测量和模拟结果之间的翘曲比较。结果表明，由于对翘曲实际力学行为的可行假设，改进的Timoshenko方法对RDL-first FO-PLP翘曲的评估能力最好。对于等效材料的提取，基于仿真的材料测试方法更适合获得等效RDL。当采用改进的Timoshenko双材料方法与基于模拟的材料测试方法相结合时，预测的翘曲度在模拟和实验之间只有0.9%的偏差。因此，通过所提出的仿真方法，可以准确估计FO-PLP中RDL引起的翘曲。该研究论文以“Comparison of Mechanical Modeling to Warpage Estimation of RDL-First Fan-Out Panel-Level Packaging”发表于IEEE Trans. Comp. Pkg. Man. Tech.上。

图8. 完成整个多层RDL工艺之后的FO-PLP翘曲测量

论文链接：DOI: 10.1109/TCPMT.2022.3175953

4、IEEE Trans. Comp. Pkg. Man. Tech.：带有2.5D硅通孔中介层的芯粒（Chiplet）封装的热学建模

基于芯粒的封装技术将多个具有不同功能和材料的异质芯片集成到一个单一系统中，但它也给芯片的热设计和芯粒之间的热串扰带来了新的挑战。

近期，南京大学等机构的研究人员针对带有2.5D硅通孔中介层的Chiplet基封装进行了热学建模。两个芯粒被并排置于中介层上，铜盖分别通过热界面材料TIM1和胶黏剂连接到芯粒顶面和中介层外围。为了进一步散热，通过一层TIM2将热沉连接到盖子的顶面。对TIM类型、芯粒与中介层之间的键合方式、热沉结构、热串扰、盖子上方的对流传热系数和热设计功率（TDP）进行分析，发现无凸块互连有利于芯粒封装的散热。短间距将为细间距多芯粒集成带来冷却挑战，随着盖子上方对流传热系数的增加，温度先迅速下降，然后减缓。在10000 W/m2K下，最大TDP约为250 W。相关研究内容以“Thermal Modeling of a Chiplet-Based Packaging with a 2.5D Through-Silicon Via Interposer”发表于IEEE Trans. Comp. Pkg. Man. Tech.上。

图9. 芯片和盖子之间界面热阻示意图

论文链接：DOI: 10.1109/TCPMT.2022.3174608

图文 | 战略研究办公室

编辑 | 宣传办