磁场定向排列氮化硼纳米倒钩实现电子封装高效热管理

电子器件微型化、高功率密度、高度集成化的快速发展使当前电子封装热管理面临严重挑战。为保证电子器件的长寿命和高可靠性，电子元件产生的热量需要通过具有高热导率的热界面材料（TIM）传导到热沉，实现快速散热。在高密度封装集成的电子器件中，芯片呈3D 矩阵或者堆叠多层封装，热量通过TIM 在堆叠的芯片之间传递，低热导界面材料局部容易过热，造成芯片烧毁。在电子封装中，大多数应用场景要求TIM 具有良好的绝缘性，因此，具有高热导率且优异绝缘性质的热界面材料对高密度集成的电子器件热管理非常重要。

山东大学杨家跃教授团队合成了一种基于氮化硼纳米倒钩（BNNB）磁场定向排列的高导热且电绝缘热界面材料，旨在解决高功率密度电子封装的电绝缘与定向导热差的问题。BNNB 中B—N 极性键利于吸附磁性颗粒（Fe3O4），进而使BNNB 产生磁性，然后通过外部磁场作用可定向排列BNNB。研究表明，在掺入40%质量分数BNNB 的条件下，复合材料的热导率高达3.3 W·m-1·K-1，是纯环氧树脂的17.8 倍，并表现出显著的各向异性。此外，该复合材料具有510 MPa的高刚度和27.2 MΩ·cm 的高电阻率，具有优异的机械和电绝缘特性。

研究结果表明，外部磁场可以调控Fe3O4@BNNB在环氧树脂中的排列取向，其中垂直排布的Fe3O4@BNNB 热导率明显高于随机分布，更大于水平排布，三种复合材料的热导率如图1 所示。当BNNB质量分数为40%时，随机排布的Fe3O4@BNNB 和水平排布的Fe3O4@BNNB 的热导率仅为1.674 W·m-1·K-1和0.506 W·m-1·K-1。然而，垂直排布的Fe3O4@BNNB的热导率高达3.3 W·m-1·K-1，这是由于垂直排列的BNNB 延长了导热路径。BNNB 与环氧树脂界面键合相互作用和声子输运如图2 所示，B—N 键的极性使BNNB 和基体材料之间形成具有强界面相互作用的界面键，减少了声子散射并降低了微观界面热阻，增加了复合材料的热导率。因此，BNNB 和基体材料之间的交联增强了复合材料的导热和机械性能。

图1 三种复合材料的热导率

图2 BNNB 与环氧树脂界面键合相互作用和声子输运

研究团队未来将聚焦静电纺丝技术，通过调控导热结构制备柔性高导热薄膜，进一步提升封装材料的热导率、绝缘性能以及连接贴合性，建立更加精细的导热网络结构。此外，团队还将聚焦大功率器件的微流道两相流散热，对实现更高效的电子封装热管理技术具有重要意义。

原始文献：

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.