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》。
該研究摒棄單一填料改性思路，依托三種材料結構與功能互補，搭建“骨架+加速通道+界面橋梁”的多級連續導熱網絡，配合界面改性與工藝調控，實現性能協同優化。
金剛石作為核心導熱骨架，顆粒形態適配高填充體系，可在樹脂內部構建穩定貫通的基礎導熱通路。六方氮化硼憑借片層高長徑比結構，串聯金剛石顆粒、填補骨架間隙；經硅烷偶聯劑協同改性后，有效降低界面熱阻，加速熱量傳輸。鎵基液態金屬是核心創新點：經超聲調控形成可控微液滴，精準填充填料與樹脂微觀空隙，形成“液態導熱橋梁”，壓實貫通整體導熱網絡。
同時，液態金屬兼具應力緩沖作用，可改善材料力學性能；其表面天然氧化層可阻斷導電通路，在大幅提導熱的同時，保障復合材料高電絕緣特性，通過工藝優化實現多性能最佳平衡。
性能測試顯示，純環氧樹脂熱導率僅0.23 W·m?1·K?1。金剛石單一填充、金剛石/氮化硼二元填充體系熱導率分別提升至1.27 W·m?1·K?1、1.64 W·m?1·K?1。引入優化液態金屬后，復合材料最高熱導率達2.14 W·m?1·K?1，較純樹脂提升約830%。
超聲時長為關鍵工藝參數：1小時超聲可獲得最優液滴形貌與最大導熱性能，過長超聲會細化液滴、增加界面散射，導致導熱效率下降。該體系完美保留絕緣性能，最優樣品體積電阻率達1.9×101? Ω·cm。液態金屬表面氧化層與雜化界面層是絕緣性能穩定的關鍵，過度超聲會破壞氧化層，引發絕緣失效。此外，液態金屬可有效緩釋高填料帶來的內應力，材料熱膨脹系數顯著降低，尺寸與力學穩定性大幅提升，有效規避器件高溫翹曲、失效問題。
有限元仿真表明，三組分協同體系可有效連通導熱通道，提升熱流密度，使器件溫度分布更加均勻，散熱效果優于單一組分及二元復合體系。主板芯片實測結果顯示，涂覆該復合材料后，芯片通電運行100s、200s的中心溫度分別降低5 ℃、4 ℃，降溫效果穩定，具備良好的工程應用價值。
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。
該研究提出多組分功能互補+界面精準調控的新型設計策略，通過金剛石、氮化硼、液態金屬的精準協同，一舉解決傳統封裝材料“導熱、絕緣、力學、尺寸性能難以統一”的難題。研究為高功率半導體熱管理封裝材料提供了全新研發思路，兼顧創新性與產業化潛力，可有效適配高端電子、高功率器件的封裝應用場景。
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