1 电子封装材料

1、Composites Part B：使用氨基喹啉（aminoquinoline）功能化氧化石墨烯纳米片的低温固化低介电聚酰亚胺纳米复合材料

作为一种先进的微电子封装技术，晶圆级封装（wafer-level packaging，WLP）对低温固化低介电聚酰亚胺（PI）材料提出了迫切需求。

近日，中科院深圳先进技术研究院、深圳先进电子材料国际创新研究院张国平研究员团队合成了一种低成本、多功能的纳米填料——氨基喹啉功能化的氧化石墨烯（aminoquinoline-functionalized graphene oxide，AQL-GO），通过QL的亲核攻击和聚合物链的混乱堆积，巧妙地实现了聚酰亚胺纳米复合材料的低温固化和低介电。结果表明，添加0.5 wt% AQL-GO的纳米复合材料仅在200℃即可完全固化，并且具有低介电常数（2.96@1 MHz）。此外，固化后的样品还表现出优异的机械和热学性能，其断裂伸长率达到39.69%，杨氏模量达到2.38 GPa，T5%达到530.55℃，与350℃固化的纯PI性能相当甚至更优。这种PI/AQL-GO纳米复合材料在先进微电子封装中拥有实际应用前景。相关研究工作以“Low-temperature curable and low-dielectric polyimide nanocomposites using aminoquinoline-functionalized graphene oxide Nanosheets”为题发表于Composites Part B上，电子材料院在读博士研究生王涛为第一作者，张国平研究员、李金辉副研究员为共同通讯作者。

以上研究工作得到了国家自然科学基金（61904191, 62174170）、广东省重点研发计划（2020B010180001）、广东联合基金（2020A1515110934）和中国科学院青年创新促进会（2017410）的支持。

图1.PI/AQL-GO复合薄膜的性能

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

2、J. Electron. Packag.：基于机器学习预测高导热塑封材料在功率电子封装中的优势

基于机器学习（Machine learning，ML）的预测技术与博弈论方法相结合，可用于预测功率电子封装的热行为及研究塑封材料特性和热管理对热点温度的影响。

最近，美国克萨斯大学奥斯汀分校的研究人员对商用1.2 kV/444 A碳化硅半桥模块进行了参数化稳态和瞬态热模拟，并对三种ML算法（随机森林、支持向量机和神经网络）在热行为建模中的表现进行了评估。参数空间包括塑封材料、基板、热沉的热导率和热沉处的冷却条件，涵盖了各种材质和冷却场景。这些算法表现出R2>99.5%的优异预测准确度。研究表明，虽然热沉的冷却条件显著影响稳态结点温度，但它们在动态模式下对结点温度的决定作用减弱。研究人员使用ML-SHAP模型，针对静态和动态模式下运行的器件，量化了新兴聚合物纳米复合材料（具有高热导率和扩散率）对热点温度降低的影响。这项研究展现了基于ML的热设计方法的吸引力，并为未来塑封材料的目标设定提供了框架。相关研究内容以“Machine Learning-Based Predictions of Benefits of High Thermal Conductivity Encapsulation Materials for Power Electronics Packaging”发表于J. Electron. Packag.上。

图2.三种模型得到的预测与模拟热点温度瞬态模拟图：（a）支持向量回归；（b）神经网络；（c）随机森林。

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https://doi.org/10.1115/1.4052814

3、J. Electron. Packag.：持续高温下底部填充胶粘弹性能的微观结构演变

汽车发动机罩下电子设备的工作温度高达150至200℃，且需要10年左右的使用寿命。消费级电子产品的设计工作温度为55至85℃，使用寿命较低，为3至5年。底部填充材料用于窄间距区域阵列电子设备，可使其满足可靠性要求。

近期，美国奥本大学的研究人员对几种不同的底部填充材料进行了汽车发动机罩下温度试验，研究了长时间等温暴露对其微观结构和动态力学性能的影响。通过偏光显微镜测量氧化层厚度，利用动态力学分析仪（DMA）研究动态力学性能的变化，发现等温老化会氧化底部填充胶，从而显著改变其力学性能。研究人员还对两种不同的底部填充材料进行了三种不同的等温暴露（即低于、接近和高于底部填充材料的玻璃化转变温度），并研究了储能模量、损耗模量、tanδ及其相应的玻璃化转变温度等动态粘弹性力学性能。相关研究结果以“Microstructural Evolution of Viscoelastic Properties of Underfills Under Sustained High Temperature Operation”发表于J. Electron. Packag.上。

图3.（a）150℃老化的底部填充胶氧化层；（b）带盖FCBGA封装模型的边界条件；（c）焊球每单位体积的塑性功；（d）倒装芯片凸块每单位体积的塑性功。

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https://doi.org/10.1115/1.4052715

2 电介质材料

1、ACS Appl. Mater. Interfaces：通过畴和带隙工程实现Bi0.5Na0.5TiO3基陶瓷的超高储能密度和效率

环境友好型无铅介质陶瓷以其优异的功率密度、快速的充放电速率和优异的稳定性而受到广泛关注。然而，作为介质陶瓷电容器的热门候选材料，Na0.5Bi0.5TiO3基陶瓷由于其较高的剩余极化和较低的介电击穿强度，其储能性能一直不能令人满意，这是一个亟待解决的问题。

最近，桂林电子科技大学和广西大学的研究人员基于畴和带隙的双重优化策略，设计了(1-x)(0.6Na0.5Bi0.5TiO3-0.4Sr0.7Bi0.2TiO3)-xBa(Mg1/3Ta2/3)O3（BNST-xBMT）体系，来解决上述问题。结果表明，BNST-0.08BMT陶瓷在565 kV/cm下同时获得了破纪录的超高能量密度和优异的效率（Wrec=8.58 J/cm3，η=93.5%）。引入Sr0.7Bi0.2TiO3可在BNT基陶瓷中诱导纳米畴的形成，导致纤细的P-E曲线，而Mg/Ta的进一步改性减小了晶粒尺寸并增加了带隙宽度，从而显著提高了介电击穿强度。此外，在BNST-0.08BMT陶瓷中还实现了优异的稳定性和放电性能（Wd=4.7J/cm3，E=320 kV/cm）。这种BNST-0.08BMT陶瓷具有潜在的介电储能陶瓷应用前景，其成分设计思想也为陶瓷介质电容器的进一步开发提供了很好的参考。相关研究成果以“Ultrahigh Energy Storage Density and Efficiency in Bi0.5Na0.5TiO3-Based Ceramics via the Domain and Bandgap Engineering”发表于ACS Appl. Mater. Interfaces上。

图4. 通过畴和带隙工程实现Bi0.5Na0.5TiO3基陶瓷的超高储能密度和效率

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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电稳定性的超宽温无铅多层陶瓷电容器

空间探索和电动汽车等高科技的快速发展对超宽温多层陶瓷电容器（ultra-wide temperature multilayer ceramic capacitors，UWT-MLCC）提出了迫切需求，以实现电子电路在恶劣环境中的可靠运行。然而，同时实现高介电常数、低介电损耗和超高热稳定性一直是介电陶瓷实际应用的主要挑战。内电极与介质陶瓷的共烧匹配也是影响UWT-MLCC可靠性的重要因素。

近日，北京工业大学的研究人员提出一种多方面改性策略，通过与局部极性纳米区（PNR）调控有关的成分设计以及在异质界面兼容性背景下的器件烧结优化，来解决上述问题。研究团队设计了一种以P4bm PNRs为主的新型无铅介电体系(1-x)(0.56Na0.5Bi0.5TiO3-0.14K0.5Bi0.5TiO3-0.3NaNbO3)-xCaZrO3（NKBTNN-xCZ），通过优化烧结温度，制备了相应的具有可靠铂内电极界面结合的UWT MLCCs。对NKBTNN-0.063CZ UWT MLCC样品，在-70°C至337°C的超宽温度范围内观测到破纪录的高介电常数（εr=839±15%）和低介电损耗（tanδ≤0.02）。这项工作对于通过多方面改性构建高性能UWT MLCC具有指导意义。相关研究工作以“Lead-free multilayer ceramic capacitors with ultra-wide temperature dielectric stability based on multifaceted modification”发表于J. Eur. Ceram. Soc.上。

图5.不同温度下烧结的MLCC的显微形貌、模拟内电场分布图与P-E回线

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

3 热管理材料

1、Chem. Eng. J.：具有优异机械性能和多种功能的可愈合高导热柔性聚合物复合材料

柔性和电绝缘聚合物是理想的柔性电子器件散热封装材料，但其固有的低导热性逐渐成为其在高性能柔性电子中应用的瓶颈。

近日，南京理工大学的研究人员报道了一种高导热聚合物复合材料，可通过将羟基化氮化硼纳米片（hy-BNNSs）植入自修复弹性体材料（SM）中有效合成。hy-BNNSs的引入赋予了复合材料12.6±0.71 W m-1 K-1的超高面内导热系数和优异的机械性能，包括优越的柔韧性、显著的恢复能力和湿度稳定性。此外，该复合材料在70℃下表现出变形恢复能力和尺寸稳定性，这在柔性电子应用中至关重要，即使在可愈合复合材料中也相当罕见。利用聚合物材料中非共价氢键和二硫键的动态特性，该复合材料可以恢复力学性能、散热性能和介电性能，是一种理想的可用于柔性电子器件的热管理材料。该研究工作以“Healable, highly thermal conductive, flexible polymer composite with excellent mechanical properties and multiple functionalities”发表于Chem. Eng. J.上。

图6.复合材料的热管理性能

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

4 电磁屏蔽材料

1、ACS Appl.Mater. Interfaces：具有良好恶劣环境耐受性、用于电磁干扰屏蔽和焦耳加热的柔性导电聚酰亚胺纤维/MXene复合薄膜

为了实现导电MXene在可穿戴电子设备中的应用，基于MXene的柔性多功能复合材料的开发成为研究热点。

近日，郑州大学的研究人员采用简单的真空过滤与热亚胺化技术制备了具有紧密堆叠的“钢筋-砖-水泥”层状结构的柔性导电聚酰亚胺纤维（polyimide fiber，PIF）/MXene复合薄膜。以水溶性聚酰亚胺预聚体聚酰胺酸作为粘合剂和分散剂，可确保MXene的均匀分散以及热亚胺化后与PIF的良好界面粘合，从而产生优异的机械坚固性和高导电性（3787.9 S/m）。由于表面反射、材料内部电导损耗和界面/偶极极化损耗引起的吸收，以及有利于相邻层间多次反射和散射的层状结构，合成的PIF/MXene复合薄膜在8.2-12.4 GHz的频率范围内表现出49.9 dB的屏蔽效能。更重要的是，其电磁干扰屏蔽能力可在各种恶劣环境（如极端高温/低温、酸/盐溶液和长期循环弯曲）下保持良好，表现出优异的稳定性和耐久性。此外，它还具有快速、稳定和长期耐用的焦耳加热性能，在实际条件下显示出良好的热除冰效果。这种具有恶劣环境耐受性的PIF/MXene复合薄膜在电磁波防护和个人热管理方面具有广阔的应用前景。相关研究内容以“Flexible Conductive Polyimide Fiber/MXene Composite Film for Electromagnetic Interference Shielding and Joule Heating with Excellent Harsh Environment Tolerance”发表于ACS Appl. Mater. Interfaces上。

图7.具有良好的恶劣环境耐受性、用于电磁干扰屏蔽和焦耳加热的柔性导电聚酰亚胺纤维/MXene复合薄膜

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

2、Chem. Eng. J.：用于电磁干扰屏蔽和薄板加热器的Ti3C2Tx MXene/碳纳米管/水性聚氨酯基复合油墨

近几十年来，可穿戴和柔性电子设备因其新颖的功能而备受关注，这些功能可应用于紧急情况识别、健康监测、安全和防护等多个领域。为了使这些设备精确工作，它们需要一层保护层来防止电磁干扰（EMI）和抵抗恶劣环境。因此，开发具有电磁干扰屏蔽功能与热管理功能的多功能材料已成为一大热点。

最近，韩国电子通信研究院（ETRI）的研究人员开发了一种多功能导电复合油墨，可用于制造EMI屏蔽器件和薄板加热器。这种复合油墨是由碳纳米管（CNT）和热处理的Ti3C2Tx-MXene在水性聚氨酯（waterborne polyurethane，WPU）基体中混合而成的，是一种环保型油墨，采用刮刀印刷法制备得到。这种方法可制备出尺寸大、导电率高、机械柔韧性好的复合薄膜，当其厚度为20至200 µm时，在整个X波段和Ka波段可提供20 dB至70 dB的优异电磁干扰屏蔽性能。研究人员还通过实际的薄板加热器和热界面材料（TIM），展示了这种复合薄膜优良的焦耳加热性能和散热性能。这种复合油墨有望在印刷可穿戴电子应用中提供卓越的EMI屏蔽和热管理性能。该研究成果以“Ti3C2Tx MXene/Carbon Nanotubes/Waterborne Polyurethane based Composite Ink for Electromagnetic Interference Shielding and Sheet Heater Applications”发表于Chem. Eng. J.上。

图8.用于电磁干扰屏蔽和薄板加热器的Ti3C2Tx MXene/碳纳米管/水性聚氨酯基复合油墨

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

5 热电材料

1、Adv. Mater.：溶液加工热电材料中表面吸附质的重要性——以SnSe为例

与传统的固态合成方法相比，工艺条件要求更低的颗粒溶液合成已成为制备热电材料的一种替代方法。然而，溶液合成在前驱体或后续添加的实现溶解性和/或调节成核和生长的物质中，通常涉及其他分子或离子的存在。这些分子或离子最终会以表面吸附物的形式存在于颗粒中，并干扰材料的性质。

最近，奥地利科技学院的研究人员发表研究论文，指出离子吸附质，特别是Na+离子，会在水中合成的SnSe颗粒上静电吸附，在引导材料纳米/微观结构及确定固结材料的输运特性方面起着至关重要的作用。在通过烧结SnSe颗粒制备得到的致密样品中，Na作为掺杂剂留在晶格中，存在于位错、析出物中，并形成晶界络合物。这些结果表明在溶液加工热电材料时，需要考虑所有可能的非故意杂质，以建立适当的结构-性能关系和控制材料性能。这一研究工作以“The Importance of Surface Adsorbates in Solution-Processed Thermoelectric Materials: The Case of SnSe”发表于Adv. Mater.上。

图9.含钠SnSe颗粒的APT图像

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

2、Mater. Today Phys.：协同调控电输运和热输运行为提高SnTe的热电性能

SnTe是一种很有前途的中温热电材料，但其热电性能不仅受到本征高载流子浓度和大价带偏移导致电输运性能差的限制，而且还受到较高晶格热导率的限制。

近日，哈尔滨工业大学的研究人员对Mn-Bi和Mn-Sb共掺杂SnTe的热电性能进行了系统研究，发现Mn掺杂降低了两个价带最大值之间的能量分离，从而提高了Seebeck系数。Bi或Sb的施主效应减弱了Mn掺杂对载流子浓度的不利影响，从而获得了相对较高的平均功率因数。更重要的是，引入点缺陷、位错和纳米析出物等各类缺陷可以在很宽的频率范围内散射声子并降低晶格热导率。最终，这些效应的协同效应在Sn0.88Bi0.04Mn0.08Te样品中实现了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样品中实现了1.23的最大ZT值（873 K）和0.73的平均ZT值（300-873 K）。该研究工作以“Cooperative Regulation of Electrical and Thermal Transport Behavior Enhancing the Thermoelectric Performance of SnTe”发表于Mater. Today Phys.上。

图10.协同调控电输运和热输运行为提高SnTe的热电性能

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

文字 | 科研管理办

编辑 | 公共关系与宣传办