跟小編一起來看看近期國內外電子材料領域都有哪些最新研究進展把~

1 電子封裝材料

1、J. Electron. Packaging：晶圓級芯片封裝中多種Sn-xAg-Cu0.7焊料凸點循環疲勞可靠性的優化設計

電子設備的小型化和高電流密度引起的焦耳熱可能導致焊點遭受周期性應力和應變，最終導致倒裝芯片封裝中焊點的熱疲勞失效。

最近，臺灣成功大學的研究人員全面研究了不同溫度條件下Sn-xAgCu0.7焊料中Ag含量（0-3 wt%）對微觀結構特征和低循環疲勞的影響。Sn-Cu0.7的固相線從228.8℃逐漸降低到218.5℃，固液共存相的溫度范圍也同步減小，以增加Ag含量。Sn-Cu0.7基體由β-Sn等軸晶粒內的Cu6Sn5小顆粒組成，對焊料硬度沒有顯著影響。由于Sn-xAgCu0.7焊料中存在大量板狀Ag3Sn和棒狀Cu6Sn5金屬間化合物，在Ag3Sn沉淀的密集網絡和近共晶點等因素的影響下，使硬度得到了提高。塑性位移隨著Ag含量的增加而減小，當Ag含量達到1.5 wt%時，得到更好的疲勞壽命。還發現尤其是在80℃和120℃時，Sn-3.0Ag-Cu0.7焊料界面中較厚金屬間化合物（IMC）層產生的裂紋會降低老化性能。該工作提出了等溫疲勞試驗中焊料中所含Ag量不同時的微觀結構演變，為研究Ag在Sn-Ag-Cu（SAC）接頭中的作用提供了明確的參考。該項研究以“Optimized Design of Various Ag Decorated Sn-xAg-Cu0.7 Solder Bump on Cycling Fatigue Reliability for Wafer-Level Chip Scale Packaging”發表于J. Electron. Packaging上。

圖1. 不同Ag含量焊料的硬度

論文鏈接：

https://doi.org/10.1115/1.4052075

2、IEEE T. Comp. Pack. Man.：后道工藝的水分擴散問題（FC-PBGA）

后道工藝（back end of line，BEOL）的水分擴散問題對電子設備的可靠性影響至關重要，水分會導致機械應力、濕脹和局部壓力變化等問題，從而使互連結構分層和斷裂。

最近，舍布魯克大學等機構的研究人員研究了關鍵區域（例如倒裝芯片塑料球柵陣列封裝（FC-PBGA）中的硅與有機襯底界面）的水分擴散問題。首先在17 mm×17 mm硅片的BEOL集成了許多對濕度阻抗傳感器，傳感器由能夠通過原位空間測量準確表征水分的專用定制電路讀取。在高達75%的相對濕度下，FC-PBGA模塊上的采集系統獲得的實驗結果顯示了多壁碳納米管（MWCNT）傳感器在吸濕和脫附過程中的水分行為。伴隨相對濕度不斷增加，該行為最初遵循菲克定律，400小時后觀察到漸近行為。通過BEOL中集成的大量傳感器，在吸收測試期間檢測到相對濕度的增加：首先是橫向濕鋒以約90 μm/h的恒定速度移動通過底部填充膠，保持30小時后，水分通過有機基板發生更復雜的擴散。該項研究提出的全嵌入式采集鏈可應用于表征不同填料含量的水分擴散行為，從而預防微電子系統互連結構的失效問題。該項研究以“Moisture Diffusion Inside the BEOL of an FC-PBGA Package”發表于IEEE T. Comp. Pack. Man.上。

圖2. 帶有嵌入傳感器（黃色塊）的FC-PBGA模塊示意圖

論文鏈接：

DOI 10.1109/TCPMT.2022.3226139

3、IEEE T. Comp. Pack. Man.：功率模塊用高溫封裝材料技術和未來發展趨勢

目前，以碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN）為代表的寬帶隙（WBG）半導體在功率模塊中的應用受到其封裝材料熱穩定性不足的限制，尤其是當工作溫度升至200℃以上時。根據玻璃化轉變溫度（Tg）的差異，可以將典型的封裝材料分為兩類：以環氧樹脂（EP）為代表的的硬封裝材料（Tg>最高工作溫度）和以硅凝膠（SG）為代表的軟封裝材料（Tg<最低工作溫度）。然而，兩類材料在較高的工作溫度（超過200℃）下都面臨可靠性問題挑戰。

最近，復旦大學工程技術研究院的研究人員發表綜述文章，分別從Tg和熱膨脹系數（CTE）維度出發，討論了EP和SG材料的最新研究進展。對于EP材料來說，它們的Tg通常在150℃左右，無法滿足200℃以上的應用需求。而對于SG材料而言，由于其往往在超過Tg的溫度下工作，并且SG材料的高CTE與芯片和其他封裝材料不匹配，這將導致功率模塊封裝的失效問題。該團隊通過分析學術研究和產業應用方面的最新成果，總結出具有高Tg和合適CTE的材料列表，同時介紹了高Tg聚合物（包括環氧氰酸酯（EP-CE）共混體系、鄰苯二甲腈（PN）和生物基聚合物）和一些創新材料（包括水泥、玻璃和絕緣液體）。通過提供廣泛的材料選擇和相關的選擇標準，為開發高溫封裝材料提供了參考。該文章以“High-temperature Encapsulation Materials for Power Modules: Technology and Future Development Trends”發表于IEEE T. Comp. Pack. Man.上。

圖3. EP-CE共混體系、生物基EP、其他聚合物、新型材料和PN樹脂的最大工作溫度范圍

論文鏈接：

DOI 10.1109/TCPMT.2022.3225960

2 電介質材料

1、Composites Part A：用于介質電容器的具有良好擊穿強度和能量密度的柔性纖維素/PVDF復合膜

儲能領域迫切需要具有高充放電效率和能量密度的環保型介電材料。纖維素具有可再生、無污染、來源廣泛、價格低廉等優點。然而纖維素容易吸水，將導致在潮濕環境中儲能密度的降低。

近日，武漢理工大學的研究人員采用浸漬法制備了再生纖維素/聚偏氟乙烯（RC-PVDF）介電復合膜。在這項工作中，PVDF用來降低纖維素的親水性。當PVDF溶液的濃度為3 wt%時，復合材料的綜合性能最好。在410 MV/m的電場下，RC-PVDF的儲能密度達到8.3 J/cm3，分別比RC和PVDF高144%和176%。這項工作拓展了纖維素在潮濕環境中的應用，為開發高性能生物聚合物基介電材料提供了良好的選擇。相關研究以“Flexible cellulose/PVDF composite films with improved breakdown strength and energy density for dielectric capacitors”發表于Composites Part A上。

圖4. 不同電場下PVDF和RC-PVDF復合材料的放電能量密度和充放電效率

論文鏈接：

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

3 熱管理材料

1、J. Mater. Chem. A：具有優異拉伸性、低熱阻和高效自修復能力的復合彈性熱管理材料

導熱聚合物基復合材料具有優異的可拉伸性、高效的自修復能力、可回收性和高導熱性，一直是現代電子工業中的熱門研究對象。然而，由于復合材料結構和組成的復雜性，如何將這些優異的性能進行整合仍然具有挑戰性。

近期，深圳先進電子材料國際創新研究院、中國科學院深圳先進技術研究院和廣東工業大學的研究人員通過制造共價自適應網絡并引入超分子相互作用，制備了聚（硫辛酸）/鋁（聚（TA）/Al）復合彈性材料。在該材料內，普遍存在的超分子相互作用提供了增強的界面相互作用，結合彈性共價自適應性網絡，使材料具有優異的拉伸性（1640%）、顯著提高的導熱性（1.83 W mK?1） 以及高效的自修復能力（在80°C時拉伸伸長率和導熱率分別為96%和98%）。此外，動態可逆的共價自適應網絡確保了材料的固態塑性和熱致可循環性，可以保持材料理想的機械和導熱性。該工作為設計具有拉伸性和可循環使用的導熱自修復復合材料提供了一種實用方法，有望應用于先進電子器件中。該研究以“Superior stretchable, low thermal resistance and efficient self-healing composite elastomers for thermal management”發表在J. Mater. Chem. A上。深圳先進電子材料國際創新研究院熱管理材料研究中心在讀碩士研究生王振宇為該論文的第一作者，曾小亮副研究員、任琳琳副研究員為共同通訊作者。

圖5. 聚（TA-DIB（二異丙烯基苯）-Al）彈性體的設計和性能

論文鏈接：

https://doi.org/10.1039/D2TA05781F

4 電磁屏蔽材料

1、Small：具有水平方向磁性隔離網絡、用于高效熱管理及電磁吸收的碳纖維彈性體

為了解決高度集成化電子器件的散熱和電磁干擾等問題，迫切需要開發出能夠高效吸收電磁波的多功能熱管理材料。然而，單一材料的熱導率（λ）和電磁波吸收性能往往互相制約。

近期，深圳先進電子材料國際創新研究院、中國科學院深圳先進技術研究院的研究人員報道了一種NiCo2O4/氧化石墨烯/碳纖維(NiCO@CFs)彈性體復合材料，該材料具有高導熱性、高效電磁吸收和優異的壓縮性。由于NiCO@CFs彈性體在垂直方向具有貫穿厚度的碳纖維（CF）陣列以提高面外熱導率，且在水平方向具有NiCo2O4磁性隔離網絡以提高阻抗匹配和吸波性能，該材料實現了高面外熱導率（λ⊥=15.55 W m-1K-1）和優秀吸波性能（最小反射損耗RLmin=-55.15 dB，有效吸收帶寬EAB=8.25 GHz）。該項工作巧妙地通過構建熱/電/機械通路的結構設計，成功實現了出色的導熱、電磁波吸收與機械柔性的多功能一體化集成，為開發應用于電子器件中的高性能多功能材料提供了一種有前景的路徑。該文章以“A Through-Thickness Arrayed Carbon Fibers Elastomer with Horizontal Segregated Magnetic Network for Highly Efficient Thermal Management and Electromagnetic Wave Absorption”發表于Small上。深圳先進電子材料國際創新研究院電磁屏蔽材料研究中心在讀碩士研究生張震為該論文的第一作者，胡友根副研究員、林志強副研究員為共同通訊作者。

圖6. 具有貫穿厚度的陣列化取向結構NiCO@CFs彈性體的制備與表征

論文鏈接：

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

5 熱電材料

1、Nano Energy：具有優異熱電性能，用于低溫余熱收集的N型柔性Bi2Se3 /SWCNTs復合膜

由于聚合物有限的熱電性能和無機材料的固有剛性，很難獲得低成本、高柔性和高性能的n型熱電材料和器件。

近期，中國科學院大學的研究人員使用低成本溶劑熱法成功地合成了n型柔性自支撐熱電薄膜，該薄膜由Bi2Se3納米片和單壁碳納米管（SWCNT）組成。通過在SWCNT上生長具有優異結晶度和菱形形貌的Bi2Se3納米片，得到優化的Bi2Se3/SWCNTs復合膜，表現出292.7 S cm?1的高電導率和?42.4 μV K?1的塞貝克系數，進而實現了52.7 μW m?1的理想功率因數。此外，由于Bi2Se3納米片與SWCNT的交織，復合膜表現出優異的柔韌性，在半徑為3.5 mm的棒周圍進行5000次彎曲循環實驗后，熱電性能幾乎保持不變。該復合膜組成的熱電器件在58 K的溫度梯度下，產生的電壓和功率密度分別為11.5 mV和86.2 μW cm?2，進一步顯示出其實用性。這項工作為制備具有高熱電性能的其他n型柔性熱電薄膜提供了參考。該項研究以“N-type flexible Bi2Se3 nanosheets/SWCNTs composite films with improved thermoelectric performance for low-grade waste-heat harvesting”發表于Nano Energy上。

圖7. 柔性Bi2Se3/SWCNTs復合膜的制備工藝

論文鏈接：

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

來源、編輯：戰略研究辦公室