磁場(chǎng)定向排列氮化硼納米倒鉤實(shí)現(xiàn)電子封裝高效熱管理

電子器件微型化、高功率密度、高度集成化的快速發(fā)展使當(dāng)前電子封裝熱管理面臨嚴(yán)重挑戰(zhàn)。為保證電子器件的長(zhǎng)壽命和高可靠性，電子元件產(chǎn)生的熱量需要通過(guò)具有高熱導(dǎo)率的熱界面材料（TIM）傳導(dǎo)到熱沉，實(shí)現(xiàn)快速散熱。在高密度封裝集成的電子器件中，芯片呈3D 矩陣或者堆疊多層封裝，熱量通過(guò)TIM 在堆疊的芯片之間傳遞，低熱導(dǎo)界面材料局部容易過(guò)熱，造成芯片燒毀。在電子封裝中，大多數(shù)應(yīng)用場(chǎng)景要求TIM 具有良好的絕緣性，因此，具有高熱導(dǎo)率且優(yōu)異絕緣性質(zhì)的熱界面材料對(duì)高密度集成的電子器件熱管理非常重要。

山東大學(xué)楊家躍教授團(tuán)隊(duì)合成了一種基于氮化硼納米倒鉤（BNNB）磁場(chǎng)定向排列的高導(dǎo)熱且電絕緣熱界面材料，旨在解決高功率密度電子封裝的電絕緣與定向?qū)岵畹膯栴}。BNNB 中B—N 極性鍵利于吸附磁性顆粒（Fe3O4），進(jìn)而使BNNB 產(chǎn)生磁性，然后通過(guò)外部磁場(chǎng)作用可定向排列BNNB。研究表明，在摻入40%質(zhì)量分?jǐn)?shù)BNNB 的條件下，復(fù)合材料的熱導(dǎo)率高達(dá)3.3 W·m-1·K-1，是純環(huán)氧樹脂的17.8 倍，并表現(xiàn)出顯著的各向異性。此外，該復(fù)合材料具有510 MPa的高剛度和27.2 MΩ·cm 的高電阻率，具有優(yōu)異的機(jī)械和電絕緣特性。

研究結(jié)果表明，外部磁場(chǎng)可以調(diào)控Fe3O4@BNNB在環(huán)氧樹脂中的排列取向，其中垂直排布的Fe3O4@BNNB 熱導(dǎo)率明顯高于隨機(jī)分布，更大于水平排布，三種復(fù)合材料的熱導(dǎo)率如圖1 所示。當(dāng)BNNB質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40%時(shí)，隨機(jī)排布的Fe3O4@BNNB 和水平排布的Fe3O4@BNNB 的熱導(dǎo)率僅為1.674 W·m-1·K-1和0.506 W·m-1·K-1。然而，垂直排布的Fe3O4@BNNB的熱導(dǎo)率高達(dá)3.3 W·m-1·K-1，這是由于垂直排列的BNNB 延長(zhǎng)了導(dǎo)熱路徑。BNNB 與環(huán)氧樹脂界面鍵合相互作用和聲子輸運(yùn)如圖2 所示，B—N 鍵的極性使BNNB 和基體材料之間形成具有強(qiáng)界面相互作用的界面鍵，減少了聲子散射并降低了微觀界面熱阻，增加了復(fù)合材料的熱導(dǎo)率。因此，BNNB 和基體材料之間的交聯(lián)增強(qiáng)了復(fù)合材料的導(dǎo)熱和機(jī)械性能。

圖1 三種復(fù)合材料的熱導(dǎo)率

圖2 BNNB 與環(huán)氧樹脂界面鍵合相互作用和聲子輸運(yùn)

研究團(tuán)隊(duì)未來(lái)將聚焦靜電紡絲技術(shù)，通過(guò)調(diào)控導(dǎo)熱結(jié)構(gòu)制備柔性高導(dǎo)熱薄膜，進(jìn)一步提升封裝材料的熱導(dǎo)率、絕緣性能以及連接貼合性，建立更加精細(xì)的導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。此外，團(tuán)隊(duì)還將聚焦大功率器件的微流道兩相流散熱，對(duì)實(shí)現(xiàn)更高效的電子封裝熱管理技術(shù)具有重要意義。

原始文獻(xiàn)：

WANG J,YANG CH,MA D ZH,et al.Magnetically oriented 3D-boron nitride nanobars enable efficient heat dissipation for 3D-integrated power packaging [J].ACS Applied Nano Materials,2023,6(19):18508-18517.