1热管理材料

Nature：极端各向异性范德华热导体

集成电路的致密化需要热管理策略和高导热材料。最近的创新包括开发具有热传导各向异性的材料，这种材料可以消除快轴（fast-axis）方向上的热点，并沿慢轴提供隔热。然而，大多数人工设计的热导体的各向异性比（anisotropy ratio）相较自然各向异性材料要小得多。

近期，美国芝加哥大学、伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校和瑞典查尔姆斯理工大学的研究人员基于具有随机层间旋转的大面积范德华薄膜，开发了一种极端各向异性热导体，其在MoS2中产生的室温热各向异性比接近900，这是有史以来的最高值之一。层间旋转阻碍了跨平面的热传输，而长程层内结晶则保持了较高的面内导热性。研究人员在MoS2（57±3 mW m-1K-1）和WS2（41±3 mW m-1K-1）薄膜中测量到跨平面方向上的超低热导率，通过使用分子动力学模拟对这些数据进行定量解释，揭示了一维类玻璃热传输行为。相反，MoS2薄膜的面内热导率接近单晶值。用各向异性薄膜覆盖纳米金电极可防止电极过热，并阻止热量到达器件表面。这项工作为固态系统中工程定向热传输建立了一个新自由度，即层状晶体材料中的层间旋转。该研究成果以“Extremely anisotropic van der Waals thermal conductors”为题发表于Nature上。

图1. 金电极上r-MoS2薄膜的温度分布和散热效率

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41586-021-03867-8

2 电磁屏蔽材料

Comp. Part A：具有优异热耐久性和电磁屏蔽性能的柔性多层芳纶纳米纤维/银纳米线薄膜

近年来，由聚合物基体和导电填料组成的导电聚合物复合材料（conductive polymer composite，CPC）因其重量轻、柔韧性好而得到广泛研究。

最近，上海大学的研究人员以银纳米线（AgNW）为内导电层，芳纶纳米纤维（ANF）为外保护层，通过多级逐层过滤工艺和热压工艺制备了多层ANF/AgNW薄膜。这种薄膜通过相邻层之间的氢键作用显著提高了电磁干扰（EMI）屏蔽和力学性能，电磁波在AgNW层之间的内部多次反射也相应增强了EMI屏蔽性能。7层结构的ANF/AgNW薄膜表现出优异的力学性能，拉伸强度达到79 MPa，断裂应变为4.6%，EMI屏蔽效能高达63.3 dB，这主要归因于ANF固有的机械强度和紧密连接的AgNW网络导致的优良导电性的协同效应。此外，这种多层膜在高温下（~400 ℃）具有优异的EMI屏蔽稳定性，优于传统的聚合物基EMI屏蔽材料。相关研究内容以“Flexible multilayered aramid nanofiber/silver nanowire films with outstanding thermal durability for electromagnetic interference shielding”发表于Comp. Part A上。

图2.柔性多层芳纶纳米纤维/银纳米线薄膜的屏蔽性能与文献对比

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.compositesa.2021.106643

3 电介质材料

1、Science：超顺电弛豫铁电体的超高储能

基于电介质的静电储能技术是先进电子和大功率电气系统的基础。近年来，以纳米畴为特征的弛豫铁电体作为高能量密度、高效率的电介质显示出巨大的应用前景。

近日，清华大学的研究人员及其合作者报道了一种利用超顺电设计大幅增强弛豫铁电薄膜储能性能的策略。纳米畴被缩小到由几个单胞组成的极性簇，这样在保持相对高的极化的同时，极化转换回线几乎被消除。在超顺电的钐掺杂铋铁氧体-钛酸钡薄膜中，实现了152 J/cm3的超高能量密度，并显著提高了效率（在3.5 MV/cm的电场下>90%）。这种超顺电策略普遍适用于优化弛豫铁电体的介电和其他相关功能。该研究工作以“Ultrahigh energy storage in superparaelectric relaxor ferroelectrics”为题发表于Science上。

图3. 超顺电弛豫铁电薄膜Sm-BFBT的介电、极化与储能性能

论文链接：

DOI: 10.1126/science.abi7687

2、Energy Storage Mater.：高能量密度聚合物纳米复合材料的双梯度设计

聚合物电介质材料在高密度储能领域拥有广阔的应用前景。聚合物电介质的能量密度取决于击穿强度和介电常数。然而，具有高击穿强度的聚合物电介质通常具有低介电常数，反之亦然。因此，进行微结构设计以实现最佳储能性能至关重要。

最近，美国宾夕法尼亚州立大学的研究人员提出一种在微结构中引入双梯度来提高聚合物纳米复合材料能量密度的策略。通过采用随机模型模拟微观结构对击穿强度的影响，发现两种纳米填料具有相反梯度的微观结构可以有效提高击穿强度。研究人员制备了填充0.5Ba(Zr0.2Ti0.8)O3-0.5(Ba0.7Ca0.3)TiO3纤维（BZCTFS）和氮化硼纳米片（BNNS）的聚醚酰亚胺（PEI）复合材料，其中BZCT和BNN具有相反的梯度。优化后的微结构具有580 kV/mm的击穿强度和4.87 J/cm3的放电能量密度，分别比纯聚合物（420 kV/mm和2.5 J/cm3）高38%和95%。这种双梯度设计策略有望被广泛应用于聚合物纳米复合材料的微结构工程以获得高能量密度。相关研究工作以“Double-Gradients Design of Polymer Nanocomposites with High Energy Density”发表于Energy Storage Mater.上。

图4. 高能量密度聚合物纳米复合材料的双梯度设计

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.ensm.2021.10.008

3、Energy Storage Mater.：通过畴工程实现无铅弛豫反铁电陶瓷的超高储能密度

介质电容器因其在未来大功率和/或脉冲功率电子系统中的广泛应用而受到越来越多的关注。然而，目前电介质陶瓷的可恢复储能密度（Wrec）相对较低，这在很大程度上限制了其实际应用。

最近，南京理工大学的研究人员及其合作者采用畴工程方法制备了弛豫反铁电NaNbO3-BiFeO3块体陶瓷，它综合了反铁电体和弛豫体的优点。结果表明，反铁电相由正交P相转变为R相，反铁电畴由微米级块体演化为纳米级团簇。这种0.90NaNbO3-0.10BiFeO3陶瓷具有18.5 J cm-3的超高Wrec值和99.5 kV mm-1的巨大击穿强度，优于最先进的块体介电陶瓷。此外，这种陶瓷还表现出优异的频率、循环和热可靠性，以及可观的电流密度（2140.6 A cm−2）、超高功率密度（428.1 MW cm−3）和超快的放电速率（14 ns）。以上研究结果不仅表明NaNbO3基弛豫反铁电陶瓷是先进储能电容器的候选材料，也为开发新型无铅高性能介电材料提供了可行的畴工程策略。相关研究工作以“Ultrahigh energy storage density in lead-free relaxor antiferroelectric ceramics via domain engineering”发表于Energy Storage Mater.上。

图5. 通过畴工程实现无铅弛豫反铁电陶瓷的超高储能密度

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.ensm.2021.09.018

4 热电材料

1、Adv. Energy Mater.：协同织构和Bi/Sb-Te反位掺杂实现Bi0.5Sb1.5Te3基薄膜的高热电性能

Bi2Te3基薄膜因其良好的耐磨性和柔韧性而受到越来越多的关注。然而，与块体材料相比，其性能相对较低，限制了其更广泛的应用。

近期，澳大利亚南昆士兰大学的研究人员采用协同织构和Bi/Sb-Te反位掺杂方法，通过磁控溅射制备了p型Bi0.5Sb1.5Te3薄膜，其室温ZT值高达~1.5。结构表征证实，对沉积温度的仔细调节可以增强所制备的多晶Bi0.5Sb1.5Te3薄膜的织构，从而显著提高载流子迁移率和电导率。同时，合理的沉积温度可以诱导Bi/Sb和Te之间的反位掺杂，从而降低载流子浓度，使其更接近最优水平，最终获得室温下45.3 µW cm-1的高功率因数和~1.5的最大ZT值。这种热电材料相比其它最先进的p型薄膜热电材料具有很强的竞争力，显示出巨大的实际应用潜力。该研究工作以“Synergistic Texturing and Bi/Sb-Te Antisite Doping Secure High Thermoelectric Performance in Bi0.5Sb1.5Te3-Based Thin Films”发表于Adv. Energy Mater.上。

图6. Bi0.5Sb1.5Te3基热电薄膜及其热电性能

论文链接：

https://doi.org/10.1002/aenm.202102578

2、Nature Communications：谷各向异性提高热电功率因数

谷各向异性（Valley anisotropy）是一种有利的电子结构特征，可用于实现优良的热电性能。

最近，浙江大学的研究人员利用p型Mg3Sb2中的单一各向异性费米口袋（Fermi pocket），通过对单晶和织构化多晶样品的协同研究，展示了一种利用谷各向异性提高热电功率因数的可行策略。与重带方向相比，沿轻带方向观察到3倍高的载流子迁移率，而Seebeck系数保持相似。较低的晶格热导率下，室温zT值增加了3.6倍。此外，对66个同构Zintl相化合物进行第一性原理计算，筛选出其中9个化合物，均表现出类似于Mg3Sb2的pz轨道主导价带。该研究证实谷各向异性是增强具有各向异性费米口袋的材料热电性能的有效策略。相关研究工作以“Demonstration of valley anisotropy utilized to enhance thethermoelectric power factor”发表于Nature Communications上。

图7. 织构化多晶Mg3Sb2的结构与热电性能

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41467-021-25722-0

3、Phys. Rev. B：密度泛函理论中的热电输运

热电技术是一系列技术应用（如能量转换）的核心，其本质上跟电荷与热传输相关。

近期，西班牙Donostia International Physics Center的研究人员在密度泛函理论的框架下，提出了一种描述稳态电子输运和热输运的形式。研究证明该理论的三个基本变量（即结上的密度以及通过结的电流和热流）与三个基本势（即结中的局域势以及穿过结的直流偏压和热梯度）之间的一一对应关系。因此，理论中的Kohn-Sham体系需要三种交换关联势。在线性响应中，该形式从Kohn-Sham系数和交换关联势的导数的角度，可以得到多体输运系数（电导、热导和Seebeck系数）的精确表达式。将该理论应用于单杂质Anderson模型，库仑阻塞区中这些导数的精确解析参数化可通过逆向工程构建。该研究成果以“Thermoelectric transport within density functional theory”发表于Phys. Rev. B上。

图8. 不同温度下热电优值的输运系数和电子贡献

论文链接：

https://doi.org/10.1103/PhysRevB.104.125115

5 先进封装

1、IEEE Trans. Comp. Pack. Man. Tech.：用于理解重力对扇出板级封装翘曲影响的定量模型

与引线框架、引线键合和球栅阵列等封装技术相比，扇出型封装具有更高的生产率、更低的成本和更高的集成度，已成为最有前途的先进封装方法之一。然而，当前的扇出型封装技术正面临翘曲的严峻挑战。翘曲问题是由各种封装材料之间的热膨胀系数不匹配以及环氧模塑料（epoxy mold compound，EMC）和聚酰胺绝缘层（再分布层）的化学收缩引起的。过度翘曲可导致分层、开裂和焊点裂纹失效。

最近，广东工业大学的研究人员通过考虑封装材料的热收缩和化学收缩以及封装结构弯曲刚度之间的竞争，提出了一个通用且简明的理论模型，以量化重力对封装翘曲的影响。对两种尺寸为310 mm×320 mm的扇出板级封装结构的翘曲分布进行的实验研究和有限元模拟验证了该模型的有效性。在理想的无重力条件下，翘曲度与封装结构尺寸的平方成正比。在重力效应下，翘曲遵循封装结构尺寸的简单四次表达式。重力可以减少结构中的弯矩，从而减少总翘曲。对于较大尺寸的结构，重力对翘曲的影响更为明显。结果表明，该模型的预测结果与实验和模拟结果吻合较好，这为考虑重力效应的翘曲预测提供了一个有效的工具。相关研究内容以“A quantitative model to understand the effect of gravity on the warpage of fan-out panel-level packaging”发表于IEEE Trans. Comp. Pack. Man. Tech.上。

图9. 翘曲分布的模拟与实验对比

论文链接：

DOI: 10.1109/TCPMT.2021.3111626

2.、IEEE Trans. Comp. Pack. Man. Tech.：基于过程力学的先进扇出技术翘曲分析与预测

摩尔定律在过去几十年中显著地促进了半导体技术的发展。涉及新材料、结构和工艺的先进封装为实现优异性能做出了巨大贡献。在各种形式的先进封装中，晶圆级扇出型封装（fan-out wafer level packaging，FOWLP）优于标准晶圆级封装，因为它允许更多的I/O连接，从而为高端设备带来了里程碑式的发展。此外，FOWLP技术实现了采用不同制造工艺制造的芯片的异构集成，从而使得性能更高、成本更低、尺寸更小的芯片成为可能。在封装材料、工艺和结构中，必须透彻理解工艺力学以确保准确性，而多物理场和多尺度建模有助于阐明翘曲的内在机理。

最近，武汉大学和华中科技大学的研究人员将过程力学应用于FOWLP，针对嵌入式硅扇出晶圆级封装的翘曲分析，引入工艺力学原理，对材料-结构-工艺的相互作用进行了研究。研究团队通过详细分析嵌入式硅扇出封装的典型过程，探讨了各个工艺的翘曲演变过程。此外，还提出了代表体积单元（representative volume element，RVE）的材料等效模型和多层结构的扩展理论模型。扩展理论模型、实验测量和有限元模型的综合比较结果表明，该理论模型有效且相对准确，这为预测制造过程中的翘曲变形提供了一种可行的方法。这项研究工作以“Warpage Analysis and Prediction of the Advanced Fan-out Technology Based on Process Mechanics”发表于IEEE Trans. Comp. Pack. Man. Tech.上。

图10.嵌入式硅扇出晶圆的四分之一翘曲模拟

论文链接：

DOI: 10.1109/TCPMT.2021.3115571

来源 | 科研管理办

编辑 | 公共关系与宣传办