【所屬領(lǐng)域】
新材料
【技術(shù)背景】
隨著電子元器件集成度不斷提高，有效熱管理已成為電子設(shè)備高效運(yùn)行和穩(wěn)定工作的關(guān)鍵。其中，發(fā)展高導(dǎo)熱、電絕緣的環(huán)氧樹脂基電子封裝材料是芯片及電子元器件高效工作時(shí)有效熱管理的必要途徑。然而，環(huán)氧樹脂的低導(dǎo)熱特性限制了其在電子封裝領(lǐng)域的應(yīng)用，開(kāi)發(fā)熱導(dǎo)率高（＞1 W/mK）、玻璃化溫度高（＞125 ℃）、黏度低（＜20 Pa·s，25℃）、熱膨脹系數(shù)合適（20-30 ppm/℃），且具有良好電絕緣性的環(huán)氧樹脂基電子封裝材料已成為行業(yè)迫切需求。
圖1 高性能電子封裝材料的性能要求
【痛點(diǎn)問(wèn)題】
（1）高導(dǎo)熱性能與電絕緣性之間的矛盾：將高導(dǎo)熱填料與環(huán)氧樹脂復(fù)合，可有效提高材料的熱導(dǎo)率。然而，常用的石墨烯、碳納米管、銀納米線、銅納米線等高導(dǎo)熱填料易導(dǎo)電，難以滿足電子封裝材料的電絕緣要求；
（2）高導(dǎo)熱性能、低熱膨脹系數(shù)與加工性能之間的矛盾：通常，增加導(dǎo)熱填料的填充量才能有效提高材料的熱導(dǎo)率、降低材料的熱膨脹系數(shù)，然而，這將導(dǎo)致復(fù)合體系黏度急劇增加，無(wú)法滿足電子封裝材料的低黏度要求。
【解決方案】
1、高導(dǎo)熱填料的電絕緣化
為解決碳納米管、銀納米線等高導(dǎo)熱填料在環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料中的電絕緣性不足問(wèn)題，采用無(wú)機(jī)氧化物（如二氧化硅、二氧化鈦）或有機(jī)聚合物（如聚氨酯）等進(jìn)行表面包覆，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)熱填料的電絕緣化。在碳納米管或銀納米線等表面包覆二氧化硅，不僅賦予導(dǎo)熱填料良好的電絕緣性，還能緩解導(dǎo)熱填料與聚合物基體之間的模量失配，促進(jìn)界面聲子共振耦合，顯著提升復(fù)合材料的導(dǎo)熱性能，解決高導(dǎo)熱與電絕緣之間的矛盾。
圖2 導(dǎo)熱填料的電絕緣化設(shè)計(jì)：（a-b）碳納米管表面包覆二氧化硅納米層，（c-d）碳納米管表面包覆超支化聚氨酯納米層，（e-f）銀納米線表面包覆二氧化硅或二氧化鈦納米層，（g-h）銀納米線表面吸附二氧化硅納米粒子
2、改善復(fù)合體系的加工流動(dòng)性
在填料表面接枝具有柔性長(zhǎng)鏈的有機(jī)分子，利用長(zhǎng)鏈分子的隔離作用及良好的流動(dòng)性使填料類流體化，改善填料在環(huán)氧樹脂中的分散性，降低復(fù)合體系的加工黏度。另一方面，將小尺寸粒子與大尺寸粒子級(jí)配，提高填充體系的理論最大填充體積分?jǐn)?shù)。在相同填充量時(shí)，級(jí)配降低了填料的擁擠程度，改善了高填充復(fù)合體系的加工流動(dòng)性，促進(jìn)填料形成完整的導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)，并降低復(fù)合材料的熱膨脹系數(shù)，滿足電子封裝要求。
圖3 改善復(fù)合體系加工流動(dòng)性策略：（a-c）填料的類流體化改性及流動(dòng)性質(zhì)，（d-f）二元球形氧化鋁的級(jí)配對(duì)環(huán)氧樹脂基復(fù)合體系流動(dòng)性的影響
3、界面調(diào)控以提升導(dǎo)熱性能
在高分子復(fù)合材料中存在填料－聚合物界面及填料－填料界面，界面間兩種材料的聲子諧振失配會(huì)造成聲子散射，產(chǎn)生界面熱阻，降低復(fù)合材料的導(dǎo)熱能力。尤其是在納米復(fù)合材料中，填料與聚合物基體間的接觸面積急劇增加，界面熱阻成為影響復(fù)合材料導(dǎo)熱性能的關(guān)鍵因素。通過(guò)對(duì)導(dǎo)熱填料進(jìn)行共價(jià)修飾，強(qiáng)化填料與聚合物的界面相互作用，降低了界面熱阻；通過(guò)將相互搭接的填料“焊接”在一起，有效增大了填料間的接觸面積，降低了接觸熱阻，提升了復(fù)合材料的導(dǎo)熱性能。
圖4（a-c）在氮化硼表面接枝聚甲基丙烯酸縮水甘油酯，提高填料與聚合物的界面相互作用，降低聚合物與填料的界面熱阻，（d-f）利用銀納米粒子的熔融合并效應(yīng)增大填料之間的有效接觸面積，降低填料與填料的接觸熱阻
【性能指標(biāo)】
【應(yīng)用場(chǎng)景】
可應(yīng)用于印制電路芯片的封裝，以及電機(jī)、散熱器、傳感器等器件灌封。
【市場(chǎng)前景】
微電子是世界支柱產(chǎn)業(yè)，集成電路(IC)是其基石。電子封裝是IC產(chǎn)業(yè)鏈的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，占產(chǎn)業(yè)總值的44%。我國(guó)目前高端電子封裝用環(huán)氧樹脂及復(fù)合材料基本依賴進(jìn)口，采用自主技術(shù)生產(chǎn)的改性環(huán)氧樹脂基電子封裝材料可部分替代進(jìn)口產(chǎn)品，市場(chǎng)潛力大。同時(shí)，具有獨(dú)立知識(shí)產(chǎn)權(quán)的制備技術(shù)可擺脫對(duì)國(guó)外產(chǎn)品和技術(shù)的依賴，具有顯著的社會(huì)效益。
【知識(shí)產(chǎn)權(quán)】
該成果已獲多項(xiàng)授權(quán)發(fā)明專利，下表為部分展示：
【合作方式】
技術(shù)許可、技術(shù)轉(zhuǎn)讓、作價(jià)入股、技術(shù)開(kāi)發(fā)、技術(shù)咨詢、面談等
【專家介紹】
解孝林，教授，國(guó)家杰出青年科學(xué)基金獲得者。1996年獲四川聯(lián)合大學(xué)（現(xiàn)四川大學(xué)）化學(xué)纖維專業(yè)博士學(xué)位；1996年3月至1997年12月在浙江大學(xué)從事博士后研究，出站后加盟華中科技大學(xué)。曾赴香港城市大學(xué)、香港理工大學(xué)進(jìn)行合作研究，曾為澳大利亞悉尼大學(xué)和美國(guó)科羅拉多大學(xué)波爾德分校訪問(wèn)教授。主要從事高分子復(fù)合材料、功能材料化學(xué)、高分子材料綠色加工與資源利用的研究。兼任國(guó)務(wù)院學(xué)位委員會(huì)學(xué)科評(píng)議組(化學(xué))成員、教育部科技委化學(xué)化工學(xué)部委員、教育部高等學(xué)校化工類專業(yè)教學(xué)指導(dǎo)委員會(huì)委員。發(fā)表論文300余篇，獲授權(quán)發(fā)明專利100余件。2015年入選科技部重點(diǎn)領(lǐng)域創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人。2010年獲國(guó)家自然科學(xué)二等獎(jiǎng)(排名第一)，2020年獲中國(guó)石油和化學(xué)工業(yè)聯(lián)合會(huì)技術(shù)發(fā)明一等獎(jiǎng)(排名第一)。相關(guān)技術(shù)成果在多家上市公司得到轉(zhuǎn)化和規(guī)模化應(yīng)用。
【聯(lián)系方式】
