1 熱管理材料
ACS Appl. Mater. Interfaces：基于遺傳算法驅動的隨機熱網絡模型優化熱界面材料的有效熱導率
聚合物基熱界面材料（Thermal interface materials，TIM）是降低大功率電子器件接觸熱阻必不可少的材料。由于聚合物的導熱系數較低，添加具有高導熱系數的多尺度分散粒子是提高聚合物有效熱導率的常用方法。然而，優化多尺度顆粒匹配，包括顆粒尺寸分布和體積分數，以提高有效熱導率仍待進一步研究。
最近，哈爾濱工業大學（深圳）和中國科學院深圳先進技術研究院的研究人員制備了三種不同填料的樣品，測試了樣品的有效熱導率和平均粒徑，并采用有限元模型（finite element model，FEM）和隨機熱網絡模型（random thermal network model，RTNM）預測了TIM的有效熱導率。研究發現，與有限元法相比，RTNM在預測TIM的有效熱導率方面具有更高的精度，誤差小于5%，計算效率更高。結合上述優點，研究人員設計了一套由遺傳算法（genetic algorithm，GA）驅動的RTNM程序。該程序可以找到多尺度粒子匹配方法，可在給定填料含量下獲得最大有效熱導率。結果表明，當有效熱導率達到最高值時，填充量為40%、50%和60%的樣品具有相似的粒度分布和體積分數。隨著填料體積分數的增加，最優有效熱導率明顯提高。該程序的高效性和準確性顯示了未來高效TIMs設計的巨大潛力。相關研究工作以“Optimization of Effective Thermal Conductivity of Thermal Interface Materials Based on the Genetic Algorithm-Driven Random Thermal Network Model”發表于ACS Appl. Mater. Interfaces上。
圖1. 基于遺傳算法驅動的隨機熱網絡模型優化熱界面材料的有效熱導率
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https://doi.org/10.1021/acsami.1c11963
2 電磁屏蔽材料
1. Mater. Today Phys.：具有優異電磁干擾屏蔽和隔熱性能的堅固Ti3C2Tx MXene/淀粉衍生碳泡沫復合材料
最近，西北工業大學的研究人員以面粉為原料，采用酵母發酵、蒸汽發泡、炭化等方法制備了淀粉基多孔碳泡沫（porous carbon foam，PCF），然后通過真空輔助浸漬Ti3C2Tx MXene和冷凍干燥，成功制備得到了Ti3C2TxMXene/PCF（MPCF）復合材料。這種材料具有優異的抗壓強度和電性能。在1400℃下碳化的PCF表現出4.9MPa的抗壓強度和21.8 S/cm的電導率（σ）。含8.5 wt% Ti3C2TxMXene的MPCF復合材料的EMI屏蔽效能（SE）和比屏蔽效能（SSE）分別達到75 dB和216.9 dB cm3/g。此外，所得到的MPCF復合材料還具有優異的阻燃性和隔熱性能，可應用于極端環境。這種MPCF復合材料具有輕質、堅固、多功能、制造工藝簡單等特點，在航空航天、軍事工程、電氣電子等領域擁有廣闊的應用前景。相關研究工作以“Robust Ti3C2Tx MXene/starch derived carbon foam composites for superior EMI shielding and thermal insulation”發表于Mater. Today Phys.上。
圖2.具有優異電磁干擾屏蔽和隔熱性能的堅固Ti3C2TxMXene/淀粉衍生碳泡沫復合材料
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https://doi.org/10.1039/D1TC03398K
2. Mater. Today Phys.：通過增濕提高多功能聚酰亞胺/碳納米管復合泡沫的電磁屏蔽性能
盡管導電聚合物復合材料（conductive polymer composite，CPC）泡沫因其低密度和高效電磁吸收而被廣泛用于電磁屏蔽，但通過簡單且易于規模化的制備工藝制備高性能CPC泡沫，探索在溫和條件下實現CPC泡沫屏蔽增強的新途徑，以滿足在短時間內需要更高屏蔽效能（SE）的特殊情況，仍然具有重要意義。
近日，中國科學技術大學的研究人員及其合作者結合化學發泡法和簡單的溶液浸漬法成功制備了多功能聚酰亞胺/碳納米管復合泡沫（PIF/CNT）。這種超低密度的PIF/CNT復合材料在電磁干擾屏蔽方面表現出優異的性能，并具有極端溫度適應性、阻燃性、隔熱性和紅外隱身性。研究人員還提出了通過增濕來增強EMI屏蔽的方法，由于強極性水分子容易吸附在親水性聚（乙烯基吡咯烷酮）的開孔泡沫骨架上，因此可大幅改善潤濕PIF/CNT樣品的屏蔽效能。通過增濕-干燥循環來增強或恢復屏蔽效能，可對PIF/CNT材料的SE在一定范圍內進行調整，以實現智能電磁響應。這為新型智能EMI屏蔽的設計提供了重要指導。相關研究工作以“Humidification of High-performance and Multifunctional Polyimide/Carbon Nanotube Composite Foams for Enhanced Electromagnetic Shielding”發表于Mater. Today Phys.上。
圖3.通過增濕提高多功能聚酰亞胺/碳納米管復合泡沫的電磁屏蔽性能
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https://doi.org/10.1016/j.mtphys.2021.100521
3 電介質材料
1. Chem. Eng. J.：具有中等介電常數、增強的儲能密度和優異熱穩定性的（Bi0.5Na0.5）TiO3基弛豫鐵電體
高能量密度、高效率和熱穩定性是介電陶瓷在先進脈沖功率系統中應用的關鍵。
近日，西安交通大學的研究人員提出一種成分驅動策略，可誘導（1-x）Bi0.5（Na0.9Li0.1）0.5TiO3-xSr（Al0.5Nb0.25Ta0.25）O3陶瓷的極性納米區，細化其晶粒尺寸并調控其介電常數。結果顯示，在x=0.16的組分中，可同時獲得6.43 J/cm3的優異Wrec值和88%的高η值。該樣品還表現出良好的頻率穩定性（5-100 Hz）、循環穩定性（105次循環）和優異的熱穩定性（-55~225℃）。通過Weibull分布對擊穿強度進行分析，發現其主要歸因于平均晶粒尺寸的減小。樣品的拉曼光譜和介電曲線表現出典型的弛豫行為，壓電力顯微鏡（PFM）測量結果證實了動態極性納米區的存在，從而實現了幾乎無回線的極化-電場響應以及相關的頻率和循環穩定性。緩和的極化飽與對場不敏感的中等介電常數有關，有助于提高電場增大時的儲能性能。此外，依賴溫度的拉曼光譜和整個溫度范圍內輕微波動的ΔP（Pm-Pr）值表明樣品具有溫度穩定的儲能特性。這項工作為設計具有增強儲能性能的介電陶瓷提供了新的思路。相關研究工作以“(Bi0.5Na0.5)TiO3-based relaxorferroelectrics with medium permittivity featuring enhanced energy-storage density and excellent thermal stability”為題發表于Chem. Eng. J.上。
圖4. 具有中等介電常數、增強的儲能密度和優異熱穩定性的（Bi0.5Na0.5）TiO3基弛豫鐵電體
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D1QM00643F https://doi.org/10.1016/j.cej.2021.131989
2. ACS Appl. Mater. Interfaces：耐電場和極端溫度的介電聚合物：現象學、信息學和實驗驗證的集成
電子電氣領域迫切需要耐電場和極端溫度的柔性聚合物電介質材料。鑒于介電擊穿機制的復雜性和聚合物的巨大化學空間，從中找到合適的候選材料是具有挑戰性的。
最近，美國康涅狄格大學和佐治亞理工學院的研究人員發表論文，從商用聚合物電介質薄膜依賴溫度的擊穿強度（Ebd）的“金標準”，即實驗測量數據開始，建立了聚合物化學空間系統搜索的基礎，然后基于該數據集衍生出與Ebd相關的易獲得性能指標的現象學指南。研究人員根據這些性能指標（如帶隙、電荷注入勢壘和內聚能密度）和其他必要特性（如保持熱穩定性的高玻璃化轉變溫度、保證高能量密度的高介電常數）建立了篩選標準。使用這些標準和相應的機器學習模型，從超過13000個先前合成的聚合物材料列表中篩選出候選材料，然后對其進行實驗驗證。由此，創建了一套高質量的數據集，用于確定篩選標準、化學設計規則以及用于高溫、高能量密度電容器的最佳候選聚合物材料列表。該研究論文以“Dielectric Polymers Tolerant to Electric Field and Temperature Extremes: Integration of Phenomenology, Informatics, and Experimental Validation”發表于ACS Appl. Mater. Interfaces上。
圖5. 耐電場和極端溫度的介電聚合物數據集
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https://doi.org/10.1021/acsami.1c11885
3. Energy Environ. Sci.：通過有機納米中間層調節電極-電介質界面實現全有機介電聚合物薄膜優異的擊穿強度和放電能量密度
用于儲能應用的聚合物電介質通常能承受高電場強度。調整介電體的相組成和結構以提高電介質的擊穿強度已被廣泛研究。然而，電極-電介質界面對擊穿強度的影響卻很少受到關注，這嚴重阻礙了該領域的進一步發展。
近日，清華大學和鄭州大學的研究人員以聚偏氟乙烯（PVDF）為基體，聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）為有機納米中間層，制備了全有機雙層電介質薄膜。通過改變電極-電介質界面，在不犧牲充放電效率的情況下，顯著提高了擊穿強度（767.05 MV/m）和放電能量密度（19.08 J/cm3）。實驗結果和計算模擬表明，電介質的表面形貌對電極-電介質界面的電場分布有很大影響，進而影響電介質的漏電流和擊穿強度。PMMA納米夾層改善了表面缺陷，增加了電極-電介質界面處的楊氏模量，從而提高了絕緣性能。這一發現為理解電極-電介質界面對聚合物介電擊穿強度的影響提供了新的視角，也為制備具有高擊穿強度的儲能聚合物電介質材料提供了新的范例。相關研究成果以“All-organic dielectric polymer films exhibiting superior electric breakdown strength and discharged energy density by adjusting electrode-dielectric interface with organic nano-interlayer”為題發表于Energy Environ. Sci.上。
圖6. （a）擊穿強度的Weibull分布；（b）漏電流；（c）電場強度畸變率；（d）表面楊氏模量；（e）使用相場法得到的不同涂層條件下擊穿相體積分數的變化；（f）擊穿相的發展
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https://doi.org/10.1039/D1EE01960K
4 熱電材料
1. Nano Energy：基于電選通碲化鉍薄膜的高ZT高性能可控熱電器件
高ZT材料和高性能器件一直是熱電應用領域的研究熱點。
近日，北京航空航天大學的研究人員提出了一種基于場效應晶體管（field effecttransistor，FET）的優化碲化鉍薄膜熱電性能的方法。通過這種方法，薄膜的塞貝克（Seebeck）系數、電導率和載流子類型連續可控，n型樣品室溫下的最大功率因數達到14.9 μW cm?1 K?2，p型樣品為12.5 μW cm?1 K?2。與塊材相比，碲化鉍薄膜的熱導率大大降低，低于0.37 Wm?1K?1。在303 K時，n型和p型樣品的實際ZT值分別超過1.22和1.02。通過在碲化鉍薄膜的兩個臂上施加不同的柵極電壓，構建了π形面內n-p對器件，在30 K的溫差下，開路電壓為10.5 mV，最大輸出功率為10.3 nW。采用Te摻雜的碲化鉍薄膜，樣品的本征載流子濃度降低至1.05×1017/cm3（n型），通過對稱的反向柵極電壓可將薄膜調制為n型和p型。使用該材料，可獲得靈敏度在2.4至225.5 μVK-1之間準線性可調的薄膜熱電偶。這項工作為獲得高ZT的熱電材料提供了一種通用方法，也為使用同種熱電材料制作性能可調的器件提供了新思路。這一研究成果以“High ZT and Performance Controllable Thermoelectric Devices Based on Electrically Gated Bismuth Telluride Thin Films”發表于Nano Energy上。
圖7. （a）電導率和柵極電壓之間的關系；（b） 柵控載流子濃度；（c）塞貝克系數；（d）功率因數
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https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2021.106472
2. Mater. Today Phys.：冷壓退火法制備高熱電性能碲化鉍
Bi2Te3基合金通常通過傳統的區域熔煉或熱壓制備，幾十年來已實現商業化應用。然而，區熔法不僅費時而且熱電性能差，此外熱壓燒結還需要復雜且高成本的設備。
近日，哈爾濱工業大學和西北工業大學的研究人員采用球磨后的Bi0.4Sb1.6Te3粉末經冷壓、真空退火制備出高性能p型Bi0.4Sb1.6Te3合金，該方法更適合大規模推廣，且能節約成本。由于細晶粒帶來的低晶格熱導率，50℃下的ZT峰值達到~1.15，30-250℃溫度范圍內的平均ZT值為~0.84，與區域熔化和熱壓獲得的優異性能相當。更重要的是，熱電性能表現出良好的批次重復性。該工作使Bi0.4Sb1.6Te3合金在熱電發電和制冷領域的廣泛應用向前邁出了重要的一步。相關研究工作以“High Thermoelectric Performance Bismuth Telluride Prepared by Cold Pressing and Annealing Facilitating Large Scale Application”發表于Mater. Today Phys.上。
圖8. 冷壓退火法制備高熱電性能碲化鉍
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https://doi.org/10.1016/j.mtphys.2021.100522
5 先進封裝
1. J. Electron. Packaging：用表面能方法建立倒裝芯片封裝中底部填充膠流動過程的分析模型
倒裝芯片底部填充封裝技術已有幾十年歷史，在電子工業中得到了廣泛應用。這種技術的基本思想是在芯片和基板之間填充一種材料，這種材料與導電結構（如焊點）相連接。底部填充封裝的主要目的是緩解系統運行時由于芯片和基板的不同熱性能而在導電結構中產生的應力。建立底填過程的精確數學模型可以幫助更好地控制底部填充過程，然而目前的底填模型缺乏通用性，因為它們取決于焊點的特定排列，因此，每次都需要為新的排列建立新的模型。
最近，華東理工大學和沙斯卡曲灣大學的研究人員提出了一種新的方法來建立倒裝芯片封裝中底部填充過程的分析模型，以預測流動前沿和填充時間。這種新方法基于表面能的概念和能量守恒原理，無需對流動路徑進行建模，因此適用于不同的焊點形態，包括倒裝芯片封裝中焊點的不同形狀和排列。研究團隊在自行開發的試驗臺上進行了CFD模擬實驗，以驗證該方法的有效性。實驗和仿真結果表明，該方法及模型對于不同結構的倒裝芯片封裝都是準確的。這一研究工作以“A Surface Energy Approach to Developing an Analytical Model for the Underfill Flow Process in Flip-Chip Packaging”發表于J. Electron. Packaging上。
圖9. 實驗中觀察到的底部填充流前沿
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https://doi.org/10.1115/1.4052275
2. IEEE T. Comp. Pack. Man.：銀燒結鍵合線厚度對SiC功率器件高溫可靠性的影響
納米銀燒結是一種很有前途的寬帶隙半導體功率器件芯片連接技術，但納米銀的高成本限制了其工業應用。降低鍵合線厚度（bondline thickness，BLT）對于節約成本是有效的，但其對可靠性的影響很少被研究，尤其是在高溫運行環境下。
最近，清華大學的研究人員通過脈沖激光沉積（pulsed laser deposition，PLD）為各種BLT接頭制備了無有機物的納米結構銀膜，并系統研究了BLT（3.5-60 μm）對上片模塊（die-attached modules）高溫可靠性的影響。結果表明，隨著BLT的增加，接頭的抗剪強度和功率循環次數均增加。考慮到可靠性和成本，最佳BLT范圍為25-50 μm。有趣的是，沿BLT方向的連接比（connection ratio）在芯片鍵合線（die-bondline）和DBC（direct bonding copper,直接鍵合銅）鍵合線界面處存在兩個谷，這與功率循環試驗中的裂紋擴展明顯對應。該研究工作以“Effect of Ag Sintered Bondline Thickness on High Temperature Reliability of SiC Power Devices”發表于IEEE T. Comp. Pack. Man.上。
圖10.BLT極限條件下的SEM圖像：（a）納米結構銀膜；（b）鍵合線。極薄BLT壓力燒結示意圖：（c） 納米結構銀膜；（d）鍵合線
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DOI: 10.1109/TCPMT.2021.3110997
來源 | 科研管理辦
編輯 | 公共關系與宣傳辦