随着电子技术的飞速发展,封装的小型化和组装的高密度化以及各种新型封装技术的不断涌现,对电子组装质量的要求也越来越高,新型的微米级或者纳米级电子封装技术应运而生。众所周知,电子器件的稳定性很大程度上依赖于交叉点的运作温度,运作温度的微小变化会导致器件寿命的大大降低。在更加微小的空间内,电子器件体积的减小和运作速度的加快会带来更多不必要的热量。为了让电子器件能够正常运行,这些不必要的热量必须及时排除掉,同时还要保证电子器件的运作温度,也就是说用来封装电子器件的封装材料必须具有良好的导热性能。

高导热而且高绝缘材料是电子封装所必需的材料,金刚石不但拥有良好的导热性能,同时还具备电绝缘性,但金刚石比较昂贵,不易取材。金属材料既导电也导热,同样不能满足封装要求。所有聚合物(polymer)的介电常数都很低,但是它们的导热性能不理想,单独的聚合物是不能满足封装要求的。

聚合物(polymer)的可加工温度低,吸水性低、机械强度(弹性模量、拉伸强度、断裂伸长率等)高、介电常数低、耐高温、阻燃性能优良、价格低廉并且很容易合成聚合物基复合材料(composite),注定是制备封装材料的不二选择。作为封装材料,常用的聚合物包括聚乙烯、环氧树脂(EP)、苯并噁嗪、聚酰亚胺和新兴的生物可降解材料(PHA)等。选取高导热且高绝缘的无机粒子作为填充材料,制备的聚合物基复合材料就同时具备了高导热和高绝缘的性能,在聚合物中填充高导热材料的方法更加经济实用,制得的复合材料能够有效解决导热问题。

填充材料有很多种,包括氧化铝、二氧化硅、氧化锌、碳化硅、氮化铝、氮化硼和氮化硅等,形成的复合材料的导热性能主要依赖于填充粒子的导热性能,上面提到的填料中,氮化硼(BN)(俗称白石墨)以其优越的性能(高导热系数(~300W/mK)、低热扩散系数、耐高温、无毒性、化学稳定性好、机械强度高、低密度、低介电常数、价格低廉等)成为填充材料的最佳选择。

作为电子封装材料,我们最注重其导热性能,单纯的物理复合,不能保证BN的导热性能在环氧树脂基体中很好的发挥(例如未处理BN粒子和环氧树脂形成的复合材料( 60wt%))的导热系数(thermal conductivity)为~4.35W/mK,远远低于BN的导热系数(~300W/mK)。

大量实验证明,要想通过填充BN明显提高复合材料的导热系数,必须保证填料(BN)和基体(如EP)的界面亲和性、填料(fillers)在基体(matrix)中的分散性以及填料取向和其导热路径的一致性。这就要求我们必须对BN进行表面处理,通过表面改性(modification)和功能化(functionalization)促进填料和基体的有效接合,这样既能保证界面间有良好的亲和性,又能保证填料在基体中很好地分散,有利于导热路径的打通、延长和扩充,有利于降低声子在界面间的扩散,从而提高导热系数,降低热量传输过程中的热扩散。另一种有效的方法就是在填料表面包覆一层与基体有良好兼容性的有机物,同样可以提高界面亲和性和填料的分散性。

我们的工作重心就是重点研究如何有效的提高复合材料的导热系数,通过对BN进行表面改性和功能化,着力解决填料和基体的界面接触问题、填料在基体中的均匀分散问题以及填料在基体中的取向问题,进一步促进导热通道的打通和扩充,从而让BN在聚合物(polymer)这个大舞台上更好地展现其各种优越的性能,更好的为电子封装材料的发展贡献我们的一份力量。