隨著高性能電子產品和高功率半導體器件不斷發展，先進封裝材料不僅需要具備良好的熱管理能力，還要兼顧機械應力、電絕緣和尺寸穩定性。當前半導體封裝中廣泛使用環氧樹脂及其復合材料，但環氧樹脂本身熱導率較低。雖然提高無機填料含量能夠改善熱傳導并降低熱膨脹系數，卻容易帶來應力和應變累積，進一步引發翹曲甚至器件失效。因此，如何在提升熱導率的同時保持電絕緣、機械性能和尺寸穩定性，成為熱管理封裝材料的重要問題。
近期，上海大學丁鵬教授團隊聯合上海普利特復合材料股份有限公司開展研究，提出了一種金剛石、六方氮化硼與液態金屬協同構筑的環氧樹脂復合材料，為解決這一多性能平衡問題提供了新的思路。相關成果以“Liquid metal bridged Diamond-BN network for thermal-conductive and electrical-insulating composites”為題，發表于《Composites Communications》。
論文的核心并不是簡單增加某一種高導熱填料，而是利用不同材料在結構和功能上的互補關系，構建多尺度協同導熱網絡。
研究中，金剛石作為主要的導熱骨架。其顆粒狀形貌在較高填料含量下仍具有相對較好的流動性，可以形成基礎導熱框架；六方氮化硼則具有片層狀、高長徑比結構，能夠連接金剛石顆粒，在原有骨架中形成熱傳導“加速區”。研究團隊通過硅烷偶聯劑對金剛石和氮化硼進行協同改性，使兩種無機填料形成復合結構，同時降低填料與環氧樹脂之間的界面熱阻。
在此基礎上，研究進一步引入鎵基液態金屬。液態金屬經過超聲處理后形成不同尺寸和形貌的液滴，并負載于無機填料表面，再引入環氧樹脂基體。液態金屬液滴能夠填充金剛石、氮化硼以及填料與樹脂之間的局部空隙，在不同導熱通道之間形成“液態橋梁”，從而進一步壓實原有的導熱網絡。
值得注意的是，液態金屬在這里并非單純作為高導熱填料使用，其液態特征使其能夠承擔界面過渡和橋接作用，而其表面天然形成的氧化層又有助于維持復合材料的電絕緣性能。因此，論文實際上圍繞“導熱網絡構筑”和“液態金屬形貌調控”兩條主線展開，通過調節偶聯劑用量和超聲時間尋找熱導率、絕緣性及其他性能之間的平衡點。
實驗結果顯示，純環氧樹脂的熱導率僅為0.23 W·m?1·K?1。加入金剛石后提升至1.27 W·m?1·K?1，金剛石/氮化硼復合填料進一步提升至1.64 W·m?1·K?1。在引入經過優化處理的液態金屬后，復合材料的面外熱導率最高達到2.14 W·m?1·K?1，相較純環氧樹脂提高約830%。
論文還發現，液態金屬的形貌控制存在明顯的優化窗口。超聲處理1 h時，復合材料獲得最高熱導率；如果超聲時間過長，液態金屬被進一步破碎成大量更細小的液滴，界面數量增加，反而會增強聲子散射并降低熱傳輸效率。
更重要的是，液態金屬的加入并未犧牲材料的電絕緣能力。最佳樣品體積電阻率達到1.9×101? Ω·cm。論文認為，這與液態金屬表面的氧化層以及偶聯劑形成的有機—無機雜化界面層有關。不過，當超聲時間過長時，細小液滴表面的氧化層更容易受到破壞，液態金屬核心可能暴露并逐漸形成連續導電網絡，從而導致絕緣性能明顯下降。
除了熱導率和絕緣性能，論文還考察了復合材料的動態力學性能和尺寸穩定性。結果表明，液態金屬的加入能夠在一定程度上緩解高含量無機填料帶來的應力積累，并改善復合材料的綜合性能。最佳樣品低溫和高溫階段的熱膨脹系數均明顯低于純環氧樹脂，體現出更好的尺寸穩定性。
有限元熱傳導模擬進一步表明，相比單純金剛石填充以及金剛石/氮化硼復合填充體系，液態金屬的引入能夠進一步連接和壓實導熱通道，使熱流密度提高、溫度變化更加均勻。
在實際驗證中，研究團隊將復合環氧漿料涂覆于計算機主板上進行散熱測試。通電運行100 s和200 s時，涂覆復合材料后的芯片中心溫度分別比未涂覆狀態降低約5 ℃和4 ℃，表明該材料具備一定的實際熱管理應用潛力。
總體來看，這項研究的價值并不只在于將環氧樹脂熱導率提高到2.14 W·m?1·K?1，更重要的是提出了一種多維度填料互補的設計策略：金剛石負責搭建導熱骨架，六方氮化硼負責連接和加速熱傳輸，液態金屬則承擔界面橋接與熱傳導作用，同時借助氧化層和形貌調控維持電絕緣。
論文最終證明，通過合理設計無機填料之間的協同結構以及液態金屬的尺寸、形貌和界面狀態，可以在熱導率、電絕緣、尺寸穩定性和機械性能之間實現更好的平衡。對于面向高功率半導體器件的環氧封裝材料而言，這種“多組分協同+界面工程”的設計思路，為進一步解決封裝體系中的熱積累與熱應力問題提供了新的材料路徑。
圖文導讀
圖1. (a) D@BN@sLM/EP復合材料的制備示意圖，(b) D、BN和D@BN的XRD圖譜，(c) D@BN@sLM的XPS光譜以及(d) O1s峰擬合結果，(e) D@BN填料的SEM圖像， (f) D@BN@sLM-2復合材料的橫截面及其放大圖（g），（h-k）與（g）對應的EDS元素圖。
圖2. D@BN@sLM復合材料的應用示意圖：(a) 復合材料的涂覆工藝，(b1) 原始主板，(b2、b3) 運行100秒和200秒后原始主板的紅外熱成像圖像，(c1) 涂覆 D@BN@sLM-2 環氧樹脂漿料的母板，(c2, c3) 涂覆 D@BN@sLM-2 環氧樹脂漿料的母板在運行 100 s 和 200 s 后的紅外熱成像圖，(d) 芯片工作溫度隨隨時間變化的曲線。
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