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北科大查俊偉教授團隊 AFM：連續(xù)突破聚合物低介電和高導(dǎo)熱協(xié)同壁壘，打造首個“數(shù)顯”熱聲集成器件
2024-11-19  來源：高分子科技

  近年來，受益于國家政策的大力支持，我國的微電子封裝和集成技術(shù)高速發(fā)展，促使電子電力設(shè)備愈加趨向多功能化和高功率化。像小米“SU7”、華為“三折疊”等智能高端電力產(chǎn)品的問世，也標志著內(nèi)部熱管理系統(tǒng)的進一步集成化。從市場需求來看，2024年我國消費電子市場規(guī)模可達19772億元，其中，熱管理市場的規(guī)模到2025年有望突破1140億元。


  然而，如何解決由高密度集成造成的信號傳輸質(zhì)量差和熱量積聚問題仍是制約電子、電力以及新能源領(lǐng)域創(chuàng)新發(fā)展的關(guān)鍵壁壘。目前，困于聚合物材料介電常數(shù)和導(dǎo)熱系數(shù)之間的固有權(quán)衡，如何建立雙效調(diào)控低介電常數(shù)和高導(dǎo)熱系數(shù)之間的普適機制仍鮮為人知。因此，進一步突破聚合物電介質(zhì)材料的低介電（<2.0）和高導(dǎo)熱特性（>10W/m?K）面臨著巨大挑戰(zhàn)。


  近日，北京科技大學(xué)查俊偉教授課題組在前期提出的“3D多孔復(fù)合網(wǎng)絡(luò)”和“類晶相”結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，對材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計進一步升級，巧妙地提出了構(gòu)建“多層3D多孔復(fù)合網(wǎng)絡(luò)”和誘導(dǎo)界面處“類晶相自組裝效應(yīng)”的新思路，發(fā)展了一種“三明治”結(jié)構(gòu)的低介電-高導(dǎo)熱多孔聚酰亞胺復(fù)合薄膜，成功地將低介電聚合物材料的導(dǎo)熱系數(shù)突破了10 W/m?K。該工作利用不同粒徑的氟化鈣（大粒徑LCaF2，300~500 nm和小粒徑sCaF2，40~60 nm，）作為導(dǎo)熱填料，結(jié)合誘導(dǎo)致孔和熱壓工藝制備了三層多孔復(fù)合膜（PSLS，圖1）。此外，基于 PSLS 薄膜組裝了第一臺集高效發(fā)聲和實時顯示功能于一體的數(shù)顯熱聲發(fā)生器，為智能電子電力領(lǐng)域提供一種新概念材料。


圖1. “三明治結(jié)構(gòu)的PSLS薄膜的制備示意圖及其內(nèi)部結(jié)構(gòu)


  在這里，IL-sCaF2 /PI 多孔復(fù)合薄膜作為三層結(jié)構(gòu)的頂層和底層，中間是LCaF2無機納米層。LCaF2中間層不僅可以作為絕緣層來阻斷電子傳導(dǎo)，促進介電常數(shù)的降低，而且能與上下兩層中的聚合物分子形成較強的電荷轉(zhuǎn)移相互作用，促進連續(xù)的三層3D復(fù)合網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的搭建。如圖2所示，PSLS薄膜可在較寬的頻率范圍內(nèi)保持穩(wěn)定的超低介電常數(shù)（k<2.0）。


圖2. PSLS薄膜的低介電和高絕緣性能的協(xié)同


  同時，PSLS-8薄膜的面內(nèi)導(dǎo)熱系數(shù)高達13.58 W/m?K，克服了聚合物電介質(zhì)中存在的介電常數(shù)和導(dǎo)熱系數(shù)之間的傳統(tǒng)權(quán)衡。如圖3所示，LCaF2納米片可看作 “分子碎片”，在sCaF2/PI 基質(zhì)之間構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)，減少層間空隙和界面熱阻，受界面壓縮力的影響，中間層的CaF2納米片更傾向于 “面對面 ”接觸，從而有效促進水平方向的熱傳遞。通過有限元模擬和分子動力學(xué)計算充分驗證了所提出的 “多層3D多孔復(fù)合網(wǎng)絡(luò)”和“類晶相自組裝效應(yīng)”這種導(dǎo)熱特性增強策略的可靠性和普適性。


圖3. PSLS薄膜的高導(dǎo)熱特性及其內(nèi)部傳熱模擬


  基于 PSLS-8 表現(xiàn)出的高導(dǎo)熱系數(shù)和超低介電常數(shù)，作者進一步開發(fā)了一種集發(fā)聲-顯示于一體的智能數(shù)顯熱聲發(fā)生器。如圖4所示，整個薄膜基板的尺寸為長5 cm、寬3 cm，厚度控制在 75 μm 左右。基底的左半部分是用于“熱聲”發(fā)生器的 “蛇形 ”電路，右半部分由功率為 20 mW 的 4*4 LED 陣列和跳線組成顯示面板。研究表明，該器件的最大發(fā)聲聲壓可達 60.1 dB，遠遠高于作者團隊先前所開發(fā)的基于單層聚合物復(fù)合膜的“熱聲”器件的性能（Doi: 10.1002/adma.202307804）。


圖4. 以PSLS薄膜為基底的數(shù)顯熱聲發(fā)生器的設(shè)計及性能檢測


  作者提出了“多層3D多孔復(fù)合網(wǎng)絡(luò)”和界面處“類晶相自組裝效應(yīng)”的創(chuàng)新思路，進一步突破了雙效調(diào)控聚酰亞胺低介電和高導(dǎo)熱特性的水平。基于有限元模擬和分子動力學(xué)計算，建立了協(xié)同改善聚合物電介質(zhì)材料低介電和高導(dǎo)熱特性的普適理論，可為開發(fā)服務(wù)于電子、電力和新能源領(lǐng)域的電介質(zhì)材料提供了有效的理論指導(dǎo)。本工作近期以“Coordination of ultralow permittivity and higher thermal conductivity of polyimide induced by unique interfacial self-assembly behaviour”為題發(fā)表于Advanced Functional Materials (Doi: 10.1002/adfm.202417843)上。第一作者為北京科技大學(xué)董曉迪博士生。


  原文鏈接：https://doi.org/10.1002/adfm.202417843

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（責(zé)任編輯：xu）
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