1 電子封裝材料

1、Composites Part B：使用氨基喹啉（aminoquinoline）功能化氧化石墨烯納米片的低溫固化低介電聚酰亞胺納米復合材料

作為一種先進的微電子封裝技術，晶圓級封裝（wafer-level packaging，WLP）對低溫固化低介電聚酰亞胺（PI）材料提出了迫切需求。

近日，中科院深圳先進技術研究院、深圳先進電子材料國際創新研究院張國平研究員團隊合成了一種低成本、多功能的納米填料——氨基喹啉功能化的氧化石墨烯（aminoquinoline-functionalized graphene oxide，AQL-GO），通過QL的親核攻擊和聚合物鏈的混亂堆積，巧妙地實現了聚酰亞胺納米復合材料的低溫固化和低介電。結果表明，添加0.5 wt% AQL-GO的納米復合材料僅在200℃即可完全固化，并且具有低介電常數（2.96@1 MHz）。此外，固化后的樣品還表現出優異的機械和熱學性能，其斷裂伸長率達到39.69%，楊氏模量達到2.38 GPa，T5%達到530.55℃，與350℃固化的純PI性能相當甚至更優。這種PI/AQL-GO納米復合材料在先進微電子封裝中擁有實際應用前景。相關研究工作以“Low-temperature curable and low-dielectric polyimide nanocomposites using aminoquinoline-functionalized graphene oxide Nanosheets”為題發表于Composites Part B上，電子材料院在讀博士研究生王濤為第一作者，張國平研究員、李金輝副研究員為共同通訊作者。

以上研究工作得到了國家自然科學基金（61904191, 62174170）、廣東省重點研發計劃（2020B010180001）、廣東聯合基金（2020A1515110934）和中國科學院青年創新促進會（2017410）的支持。

圖1.PI/AQL-GO復合薄膜的性能

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https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2021.109412

2、J. Electron. Packag.：基于機器學習預測高導熱塑封材料在功率電子封裝中的優勢

基于機器學習（Machine learning，ML）的預測技術與博弈論方法相結合，可用于預測功率電子封裝的熱行為及研究塑封材料特性和熱管理對熱點溫度的影響。

最近，美國克薩斯大學奧斯汀分校的研究人員對商用1.2 kV/444 A碳化硅半橋模塊進行了參數化穩態和瞬態熱模擬，并對三種ML算法（隨機森林、支持向量機和神經網絡）在熱行為建模中的表現進行了評估。參數空間包括塑封材料、基板、熱沉的熱導率和熱沉處的冷卻條件，涵蓋了各種材質和冷卻場景。這些算法表現出R2>99.5%的優異預測準確度。研究表明，雖然熱沉的冷卻條件顯著影響穩態結點溫度，但它們在動態模式下對結點溫度的決定作用減弱。研究人員使用ML-SHAP模型，針對靜態和動態模式下運行的器件，量化了新興聚合物納米復合材料（具有高熱導率和擴散率）對熱點溫度降低的影響。這項研究展現了基于ML的熱設計方法的吸引力，并為未來塑封材料的目標設定提供了框架。相關研究內容以“Machine Learning-Based Predictions of Benefits of High Thermal Conductivity Encapsulation Materials for Power Electronics Packaging”發表于J. Electron. Packag.上。

圖2.三種模型得到的預測與模擬熱點溫度瞬態模擬圖：（a）支持向量回歸；（b）神經網絡；（c）隨機森林。

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https://doi.org/10.1115/1.4052814

3、J. Electron. Packag.：持續高溫下底部填充膠粘彈性能的微觀結構演變

汽車發動機罩下電子設備的工作溫度高達150至200℃，且需要10年左右的使用壽命。消費級電子產品的設計工作溫度為55至85℃，使用壽命較低，為3至5年。底部填充材料用于窄間距區域陣列電子設備，可使其滿足可靠性要求。

近期，美國奧本大學的研究人員對幾種不同的底部填充材料進行了汽車發動機罩下溫度試驗，研究了長時間等溫暴露對其微觀結構和動態力學性能的影響。通過偏光顯微鏡測量氧化層厚度，利用動態力學分析儀（DMA）研究動態力學性能的變化，發現等溫老化會氧化底部填充膠，從而顯著改變其力學性能。研究人員還對兩種不同的底部填充材料進行了三種不同的等溫暴露（即低于、接近和高于底部填充材料的玻璃化轉變溫度），并研究了儲能模量、損耗模量、tanδ及其相應的玻璃化轉變溫度等動態粘彈性力學性能。相關研究結果以“Microstructural Evolution of Viscoelastic Properties of Underfills Under Sustained High Temperature Operation”發表于J. Electron. Packag.上。

圖3.（a）150℃老化的底部填充膠氧化層；（b）帶蓋FCBGA封裝模型的邊界條件；（c）焊球每單位體積的塑性功；（d）倒裝芯片凸塊每單位體積的塑性功。

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https://doi.org/10.1115/1.4052715

2 電介質材料

1、ACS Appl. Mater. Interfaces：通過疇和帶隙工程實現Bi0.5Na0.5TiO3基陶瓷的超高儲能密度和效率

環境友好型無鉛介質陶瓷以其優異的功率密度、快速的充放電速率和優異的穩定性而受到廣泛關注。然而，作為介質陶瓷電容器的熱門候選材料，Na0.5Bi0.5TiO3基陶瓷由于其較高的剩余極化和較低的介電擊穿強度，其儲能性能一直不能令人滿意，這是一個亟待解決的問題。

最近，桂林電子科技大學和廣西大學的研究人員基于疇和帶隙的雙重優化策略，設計了(1-x)(0.6Na0.5Bi0.5TiO3-0.4Sr0.7Bi0.2TiO3)-xBa(Mg1/3Ta2/3)O3（BNST-xBMT）體系，來解決上述問題。結果表明，BNST-0.08BMT陶瓷在565 kV/cm下同時獲得了破紀錄的超高能量密度和優異的效率（Wrec=8.58 J/cm3，η=93.5%）。引入Sr0.7Bi0.2TiO3可在BNT基陶瓷中誘導納米疇的形成，導致纖細的P-E曲線，而Mg/Ta的進一步改性減小了晶粒尺寸并增加了帶隙寬度，從而顯著提高了介電擊穿強度。此外，在BNST-0.08BMT陶瓷中還實現了優異的穩定性和放電性能（Wd=4.7J/cm3，E=320 kV/cm）。這種BNST-0.08BMT陶瓷具有潛在的介電儲能陶瓷應用前景，其成分設計思想也為陶瓷介質電容器的進一步開發提供了很好的參考。相關研究成果以“Ultrahigh Energy Storage Density and Efficiency in Bi0.5Na0.5TiO3-Based Ceramics via the Domain and Bandgap Engineering”發表于ACS Appl. Mater. Interfaces上。

圖4. 通過疇和帶隙工程實現Bi0.5Na0.5TiO3基陶瓷的超高儲能密度和效率

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https://doi.org/10.1021/acsami.1c14151

2、J. Eur. Ceram. Soc.：基于多方面改性的具有介電穩定性的超寬溫無鉛多層陶瓷電容器

空間探索和電動汽車等高科技的快速發展對超寬溫多層陶瓷電容器（ultra-wide temperature multilayer ceramic capacitors，UWT-MLCC）提出了迫切需求，以實現電子電路在惡劣環境中的可靠運行。然而，同時實現高介電常數、低介電損耗和超高熱穩定性一直是介電陶瓷實際應用的主要挑戰。內電極與介質陶瓷的共燒匹配也是影響UWT-MLCC可靠性的重要因素。

近日，北京工業大學的研究人員提出一種多方面改性策略，通過與局部極性納米區（PNR）調控有關的成分設計以及在異質界面兼容性背景下的器件燒結優化，來解決上述問題。研究團隊設計了一種以P4bm PNRs為主的新型無鉛介電體系(1-x)(0.56Na0.5Bi0.5TiO3-0.14K0.5Bi0.5TiO3-0.3NaNbO3)-xCaZrO3（NKBTNN-xCZ），通過優化燒結溫度，制備了相應的具有可靠鉑內電極界面結合的UWT MLCCs。對NKBTNN-0.063CZ UWT MLCC樣品，在-70°C至337°C的超寬溫度范圍內觀測到破紀錄的高介電常數（εr=839±15%）和低介電損耗（tanδ≤0.02）。這項工作對于通過多方面改性構建高性能UWT MLCC具有指導意義。相關研究工作以“Lead-free multilayer ceramic capacitors with ultra-wide temperature dielectric stability based on multifaceted modification”發表于J. Eur. Ceram. Soc.上。

圖5.不同溫度下燒結的MLCC的顯微形貌、模擬內電場分布圖與P-E回線

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https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2021.10.048

3 熱管理材料

1、Chem. Eng. J.：具有優異機械性能和多種功能的可愈合高導熱柔性聚合物復合材料

柔性和電絕緣聚合物是理想的柔性電子器件散熱封裝材料，但其固有的低導熱性逐漸成為其在高性能柔性電子中應用的瓶頸。

近日，南京理工大學的研究人員報道了一種高導熱聚合物復合材料，可通過將羥基化氮化硼納米片（hy-BNNSs）植入自修復彈性體材料（SM）中有效合成。hy-BNNSs的引入賦予了復合材料12.6±0.71 W m-1 K-1的超高面內導熱系數和優異的機械性能，包括優越的柔韌性、顯著的恢復能力和濕度穩定性。此外，該復合材料在70℃下表現出變形恢復能力和尺寸穩定性，這在柔性電子應用中至關重要，即使在可愈合復合材料中也相當罕見。利用聚合物材料中非共價氫鍵和二硫鍵的動態特性，該復合材料可以恢復力學性能、散熱性能和介電性能，是一種理想的可用于柔性電子器件的熱管理材料。該研究工作以“Healable, highly thermal conductive, flexible polymer composite with excellent mechanical properties and multiple functionalities”發表于Chem. Eng. J.上。

圖6.復合材料的熱管理性能

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https://doi.org/10.1016/j.cej.2021.133163

4 電磁屏蔽材料

1、ACS Appl.Mater. Interfaces：具有良好惡劣環境耐受性、用于電磁干擾屏蔽和焦耳加熱的柔性導電聚酰亞胺纖維/MXene復合薄膜

為了實現導電MXene在可穿戴電子設備中的應用，基于MXene的柔性多功能復合材料的開發成為研究熱點。

近日，鄭州大學的研究人員采用簡單的真空過濾與熱亞胺化技術制備了具有緊密堆疊的“鋼筋-磚-水泥”層狀結構的柔性導電聚酰亞胺纖維（polyimide fiber，PIF）/MXene復合薄膜。以水溶性聚酰亞胺預聚體聚酰胺酸作為粘合劑和分散劑，可確保MXene的均勻分散以及熱亞胺化后與PIF的良好界面粘合，從而產生優異的機械堅固性和高導電性（3787.9 S/m）。由于表面反射、材料內部電導損耗和界面/偶極極化損耗引起的吸收，以及有利于相鄰層間多次反射和散射的層狀結構，合成的PIF/MXene復合薄膜在8.2-12.4 GHz的頻率范圍內表現出49.9 dB的屏蔽效能。更重要的是，其電磁干擾屏蔽能力可在各種惡劣環境（如極端高溫/低溫、酸/鹽溶液和長期循環彎曲）下保持良好，表現出優異的穩定性和耐久性。此外，它還具有快速、穩定和長期耐用的焦耳加熱性能，在實際條件下顯示出良好的熱除冰效果。這種具有惡劣環境耐受性的PIF/MXene復合薄膜在電磁波防護和個人熱管理方面具有廣闊的應用前景。相關研究內容以“Flexible Conductive Polyimide Fiber/MXene Composite Film for Electromagnetic Interference Shielding and Joule Heating with Excellent Harsh Environment Tolerance”發表于ACS Appl. Mater. Interfaces上。

圖7.具有良好的惡劣環境耐受性、用于電磁干擾屏蔽和焦耳加熱的柔性導電聚酰亞胺纖維/MXene復合薄膜

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https://doi.org/10.1021/acsami.1c15467 

2、Chem. Eng. J.：用于電磁干擾屏蔽和薄板加熱器的Ti3C2Tx MXene/碳納米管/水性聚氨酯基復合油墨

近幾十年來，可穿戴和柔性電子設備因其新穎的功能而備受關注，這些功能可應用于緊急情況識別、健康監測、安全和防護等多個領域。為了使這些設備精確工作，它們需要一層保護層來防止電磁干擾（EMI）和抵抗惡劣環境。因此，開發具有電磁干擾屏蔽功能與熱管理功能的多功能材料已成為一大熱點。

最近，韓國電子通信研究院（ETRI）的研究人員開發了一種多功能導電復合油墨，可用于制造EMI屏蔽器件和薄板加熱器。這種復合油墨是由碳納米管（CNT）和熱處理的Ti3C2Tx-MXene在水性聚氨酯（waterborne polyurethane，WPU）基體中混合而成的，是一種環保型油墨，采用刮刀印刷法制備得到。這種方法可制備出尺寸大、導電率高、機械柔韌性好的復合薄膜，當其厚度為20至200 μm時，在整個X波段和Ka波段可提供20 dB至70 dB的優異電磁干擾屏蔽性能。研究人員還通過實際的薄板加熱器和熱界面材料（TIM），展示了這種復合薄膜優良的焦耳加熱性能和散熱性能。這種復合油墨有望在印刷可穿戴電子應用中提供卓越的EMI屏蔽和熱管理性能。該研究成果以“Ti3C2Tx MXene/Carbon Nanotubes/Waterborne Polyurethane based Composite Ink for Electromagnetic Interference Shielding and Sheet Heater Applications”發表于Chem. Eng. J.上。

圖8.用于電磁干擾屏蔽和薄板加熱器的Ti3C2Tx MXene/碳納米管/水性聚氨酯基復合油墨

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https://doi.org/10.1016/j.cej.2021.133171

5 熱電材料

1、Adv. Mater.：溶液加工熱電材料中表面吸附質的重要性——以SnSe為例

與傳統的固態合成方法相比，工藝條件要求更低的顆粒溶液合成已成為制備熱電材料的一種替代方法。然而，溶液合成在前驅體或后續添加的實現溶解性和/或調節成核和生長的物質中，通常涉及其他分子或離子的存在。這些分子或離子最終會以表面吸附物的形式存在于顆粒中，并干擾材料的性質。

最近，奧地利科技學院的研究人員發表研究論文，指出離子吸附質，特別是Na+離子，會在水中合成的SnSe顆粒上靜電吸附，在引導材料納米/微觀結構及確定固結材料的輸運特性方面起著至關重要的作用。在通過燒結SnSe顆粒制備得到的致密樣品中，Na作為摻雜劑留在晶格中，存在于位錯、析出物中，并形成晶界絡合物。這些結果表明在溶液加工熱電材料時，需要考慮所有可能的非故意雜質，以建立適當的結構-性能關系和控制材料性能。這一研究工作以“The Importance of Surface Adsorbates in Solution-Processed Thermoelectric Materials: The Case of SnSe”發表于Adv. Mater.上。

圖9.含鈉SnSe顆粒的APT圖像

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https://doi.org/10.1002/adma.202106858

2、Mater. Today Phys.：協同調控電輸運和熱輸運行為提高SnTe的熱電性能

SnTe是一種很有前途的中溫熱電材料，但其熱電性能不僅受到本征高載流子濃度和大價帶偏移導致電輸運性能差的限制，而且還受到較高晶格熱導率的限制。

近日，哈爾濱工業大學的研究人員對Mn-Bi和Mn-Sb共摻雜SnTe的熱電性能進行了系統研究，發現Mn摻雜降低了兩個價帶最大值之間的能量分離，從而提高了Seebeck系數。Bi或Sb的施主效應減弱了Mn摻雜對載流子濃度的不利影響，從而獲得了相對較高的平均功率因數。更重要的是，引入點缺陷、位錯和納米析出物等各類缺陷可以在很寬的頻率范圍內散射聲子并降低晶格熱導率。最終，這些效應的協同效應在Sn0.88Bi0.04Mn0.08Te樣品中實現了1.14的最大ZT值（873 K）和0.7的平均ZT值（300-873 K），在Sn0.82Sb0.06Mn0.12Te樣品中實現了1.23的最大ZT值（873 K）和0.73的平均ZT值（300-873 K）。該研究工作以“Cooperative Regulation of Electrical and Thermal Transport Behavior Enhancing the Thermoelectric Performance of SnTe”發表于Mater. Today Phys.上。

圖10.協同調控電輸運和熱輸運行為提高SnTe的熱電性能

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https://doi.org/10.1016/j.mtphys.2021.100556

文字 | 科研管理辦

編輯 | 公共關系與宣傳辦