磁場定向排列氮化硼納米倒鉤實現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展使當前電子封裝熱管理面臨嚴重挑戰。為保證電子器件的長壽命和高可靠性，電子元件產生的熱量需要通過具有高熱導率的熱界面材料（TIM）傳導到熱沉，實現快速散熱。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TIM 在堆疊的芯片之間傳遞，低熱導界面材料局部容易過熱，造成芯片燒毀。在電子封裝中，大多數應用場景要求TIM 具有良好的絕緣性，因此，具有高熱導率且優異絕緣性質的熱界面材料對高密度集成的電子器件熱管理非常重要。

山東大學楊家躍教授團隊合成了一種基于氮化硼納米倒鉤（BNNB）磁場定向排列的高導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導熱差的問題。BNNB 中B—N 極性鍵利于吸附磁性顆粒（Fe3O4），進而使BNNB 產生磁性，然后通過外部磁場作用可定向排列BNNB。研究表明，在摻入40%質量分數BNNB 的條件下，復合材料的熱導率高達3.3 W·m-1·K-1，是純環氧樹脂的17.8 倍，并表現出顯著的各向異性。此外，該復合材料具有510 MPa的高剛度和27.2 MΩ·cm 的高電阻率，具有優異的機械和電絕緣特性。

研究結果表明，外部磁場可以調控Fe3O4@BNNB在環氧樹脂中的排列取向，其中垂直排布的Fe3O4@BNNB 熱導率明顯高于隨機分布，更大于水平排布，三種復合材料的熱導率如圖1 所示。當BNNB質量分數為40%時，隨機排布的Fe3O4@BNNB 和水平排布的Fe3O4@BNNB 的熱導率僅為1.674 W·m-1·K-1和0.506 W·m-1·K-1。然而，垂直排布的Fe3O4@BNNB的熱導率高達3.3 W·m-1·K-1，這是由于垂直排列的BNNB 延長了導熱路徑。BNNB 與環氧樹脂界面鍵合相互作用和聲子輸運如圖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，增加了復合材料的熱導率。因此，BNNB 和基體材料之間的交聯增強了復合材料的導熱和機械性能。

圖1 三種復合材料的熱導率

圖2 BNNB 與環氧樹脂界面鍵合相互作用和聲子輸運

研究團隊未來將聚焦靜電紡絲技術，通過調控導熱結構制備柔性高導熱薄膜，進一步提升封裝材料的熱導率、絕緣性能以及連接貼合性，建立更加精細的導熱網絡結構。此外，團隊還將聚焦大功率器件的微流道兩相流散熱，對實現更高效的電子封裝熱管理技術具有重要意義。

原始文獻：

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.