【所属领域】
新材料
【技术背景】
随着电子元器件集成度不断提高，有效热管理已成为电子设备高效运行和稳定工作的关键。其中，发展高导热、电绝缘的环氧树脂基电子封装材料是芯片及电子元器件高效工作时有效热管理的必要途径。然而，环氧树脂的低导热特性限制了其在电子封装领域的应用，开发热导率高（＞1 W/mK）、玻璃化温度高（＞125 ℃）、黏度低（＜20 Pa·s，25℃）、热膨胀系数合适（20-30 ppm/℃），且具有良好电绝缘性的环氧树脂基电子封装材料已成为行业迫切需求。
图1 高性能电子封装材料的性能要求
【痛点问题】
（1）高导热性能与电绝缘性之间的矛盾：将高导热填料与环氧树脂复合，可有效提高材料的热导率。然而，常用的石墨烯、碳纳米管、银纳米线、铜纳米线等高导热填料易导电，难以满足电子封装材料的电绝缘要求；
（2）高导热性能、低热膨胀系数与加工性能之间的矛盾：通常，增加导热填料的填充量才能有效提高材料的热导率、降低材料的热膨胀系数，然而，这将导致复合体系黏度急剧增加，无法满足电子封装材料的低黏度要求。
【解决方案】
1、高导热填料的电绝缘化
为解决碳纳米管、银纳米线等高导热填料在环氧树脂基复合材料中的电绝缘性不足问题，采用无机氧化物（如二氧化硅、二氧化钛）或有机聚合物（如聚氨酯）等进行表面包覆，实现导热填料的电绝缘化。在碳纳米管或银纳米线等表面包覆二氧化硅，不仅赋予导热填料良好的电绝缘性，还能缓解导热填料与聚合物基体之间的模量失配，促进界面声子共振耦合，显著提升复合材料的导热性能，解决高导热与电绝缘之间的矛盾。
图2 导热填料的电绝缘化设计：（a-b）碳纳米管表面包覆二氧化硅纳米层，（c-d）碳纳米管表面包覆超支化聚氨酯纳米层，（e-f）银纳米线表面包覆二氧化硅或二氧化钛纳米层，（g-h）银纳米线表面吸附二氧化硅纳米粒子
2、改善复合体系的加工流动性
在填料表面接枝具有柔性长链的有机分子，利用长链分子的隔离作用及良好的流动性使填料类流体化，改善填料在环氧树脂中的分散性，降低复合体系的加工黏度。另一方面，将小尺寸粒子与大尺寸粒子级配，提高填充体系的理论最大填充体积分数。在相同填充量时，级配降低了填料的拥挤程度，改善了高填充复合体系的加工流动性，促进填料形成完整的导热网络，并降低复合材料的热膨胀系数，满足电子封装要求。
图3 改善复合体系加工流动性策略：（a-c）填料的类流体化改性及流动性质，（d-f）二元球形氧化铝的级配对环氧树脂基复合体系流动性的影响
3、界面调控以提升导热性能
在高分子复合材料中存在填料－聚合物界面及填料－填料界面，界面间两种材料的声子谐振失配会造成声子散射，产生界面热阻，降低复合材料的导热能力。尤其是在纳米复合材料中，填料与聚合物基体间的接触面积急剧增加，界面热阻成为影响复合材料导热性能的关键因素。通过对导热填料进行共价修饰，强化填料与聚合物的界面相互作用，降低了界面热阻；通过将相互搭接的填料“焊接”在一起，有效增大了填料间的接触面积，降低了接触热阻，提升了复合材料的导热性能。
图4（a-c）在氮化硼表面接枝聚甲基丙烯酸缩水甘油酯，提高填料与聚合物的界面相互作用，降低聚合物与填料的界面热阻，（d-f）利用银纳米粒子的熔融合并效应增大填料之间的有效接触面积，降低填料与填料的接触热阻
【性能指标】
【应用场景】
可应用于印制电路芯片的封装，以及电机、散热器、传感器等器件灌封。
【市场前景】
微电子是世界支柱产业，集成电路(IC)是其基石。电子封装是IC产业链的关键环节，占产业总值的44%。我国目前高端电子封装用环氧树脂及复合材料基本依赖进口，采用自主技术生产的改性环氧树脂基电子封装材料可部分替代进口产品，市场潜力大。同时，具有独立知识产权的制备技术可摆脱对国外产品和技术的依赖，具有显著的社会效益。
【知识产权】
该成果已获多项授权发明专利，下表为部分展示：
【合作方式】
技术许可、技术转让、作价入股、技术开发、技术咨询、面谈等
【专家介绍】
解孝林，教授，国家杰出青年科学基金获得者。1996年获四川联合大学（现四川大学）化学纤维专业博士学位；1996年3月至1997年12月在浙江大学从事博士后研究，出站后加盟华中科技大学。曾赴香港城市大学、香港理工大学进行合作研究，曾为澳大利亚悉尼大学和美国科罗拉多大学波尔德分校访问教授。主要从事高分子复合材料、功能材料化学、高分子材料绿色加工与资源利用的研究。兼任国务院学位委员会学科评议组(化学)成员、教育部科技委化学化工学部委员、教育部高等学校化工类专业教学指导委员会委员。发表论文300余篇，获授权发明专利100余件。2015年入选科技部重点领域创新团队负责人。2010年获国家自然科学二等奖(排名第一)，2020年获中国石油和化学工业联合会技术发明一等奖(排名第一)。相关技术成果在多家上市公司得到转化和规模化应用。
【联系方式】
