隨著電子器件不斷向小型化、集成化和多功能化的方向發(fā)展，其功率密度不斷增加，單位體積的發(fā)熱量越來越大。
電子元器件工作時產(chǎn)生的熱量，是影響電子元器件性能和使用壽命的關(guān)鍵因素，散熱問題已經(jīng)成為制約微電子器件和系統(tǒng)發(fā)展和應(yīng)用的瓶頸。
尤其是隨著5G和自動駕駛技術(shù)的快速布局，對熱管理材料又提出了新的挑戰(zhàn)。
用于5G基站和自動駕駛雷達(dá)上的基板材料要求同時具有高的熱導(dǎo)率，低的介電常數(shù)和介電損耗。
傳統(tǒng)通過向聚合物基體添加隨機(jī)分散的導(dǎo)熱填料的方法不僅不能有效增加熱導(dǎo)率，還會極大增加復(fù)合材料的介電常數(shù)和介電損耗。
針對上述問題，汪宏教授課題組采用NH4HCO3作為犧牲材料，提出了一種簡便且通用的方法來構(gòu)造三維氮化硼泡沫（3D-BN），再通過環(huán)氧樹脂填充3D-BN獲得復(fù)合材料。該復(fù)合材料不僅采用的方法簡單，且可以大大提高復(fù)合材料的熱導(dǎo)率。所制備的復(fù)合材料的縱向熱導(dǎo)率最高可達(dá)6.11 W m-1?K-1。作者通過有限元方法進(jìn)行了進(jìn)一步分析表明，高導(dǎo)熱率歸因于3D-BN泡沫，其中BN泡沫僅由片狀氮化硼組成，氮化硼與氮化硼在壓力下緊密連接，其在復(fù)合材料中能夠提供聲子傳輸?shù)目焖偻ǖ?。該?fù)合材料同時具有優(yōu)異的絕緣性能，低的介電常數(shù)和介電損耗。
通常提高聚合物材料熱導(dǎo)率的方法是將具有高熱導(dǎo)率的填料加入到聚合物基體中來制備導(dǎo)熱復(fù)合封裝材料。
然而，由于聚合物基體和導(dǎo)熱填料之間存在較高的界面熱阻，簡單的填充并不能有效地增加復(fù)合材料的熱導(dǎo)率。在這種情況下，只有不斷提高填料的體積分?jǐn)?shù)才能獲得理想的熱導(dǎo)率，但是過高的填料比會增加復(fù)合材料的介電常數(shù)，惡化材料的機(jī)械性能。
本研究工作中，通過對導(dǎo)熱填料BN和熱解材料NH4HCO3兩種固體顆粒粒徑的選擇和調(diào)控來實現(xiàn)對三維網(wǎng)絡(luò)骨架的有效構(gòu)建，當(dāng)熱解材料和導(dǎo)熱填料的粒徑比在8倍及以上時，兩種大小差異明顯的材料在混合過程中可以實現(xiàn)結(jié)構(gòu)的有效裝配，導(dǎo)熱填料的小顆粒會吸附包圍于熱解材料的大顆粒表面，這樣，在進(jìn)行加壓處理時，壓力會主要集中到粒徑較小的導(dǎo)熱填料上，通過加壓可以增強(qiáng)作為三維骨架的導(dǎo)熱填料之間的相互接觸，進(jìn)一步減小填料之間的界面熱阻，進(jìn)一步加熱可以使得NH4HCO3分解，從而得到氮化硼泡沫，該泡沫能夠為環(huán)氧樹脂填充后的三維結(jié)構(gòu)復(fù)合材料提供高效的聲子傳輸通道。
同時該工作還采用有限元模擬深入分析了熱導(dǎo)率的增長機(jī)理，為有效提高熱導(dǎo)率提供了新的理論依據(jù)。
作者發(fā)現(xiàn)，和隨機(jī)填充導(dǎo)熱填料不同的是，當(dāng)采用三維導(dǎo)熱填料網(wǎng)絡(luò)，復(fù)合材料的熱導(dǎo)率將會隨導(dǎo)熱填料的熱導(dǎo)率上升而線性上升。
而隨機(jī)填充時，當(dāng)導(dǎo)熱填料的熱導(dǎo)率上升到一定程度之后，單純靠提升填料的熱導(dǎo)率并不能大幅度提高復(fù)合材料的熱導(dǎo)率。
該研究工作以“3D boron nitride foam filled epoxy composites with significantly enhanced thermal conductivity by a facial and scalable approach”為題發(fā)表在國際化學(xué)工程領(lǐng)域頂級期刊Chemical Engineering Journal（實時影響因子10.83），該工作第一作者為西安交大微電子學(xué)院博士生徐信未，通訊作者為南方科技大學(xué)講席教授汪宏。西安交通大學(xué)為第一單位，南方科技大學(xué)與美國賓州州立大學(xué)為本文合作單位。該工作得到深圳市科技計劃（孔雀團(tuán)隊和基礎(chǔ)研究計劃）、深圳市工程實驗室項目的支持。
論文鏈接：
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S138589472031439X?via%3Dihub
