文章来源：高分子科技 化学与材料科学
电子元件的高度堆叠为微型电子设备提供了密集计算和通信功能的可能性，但同时也提高了功率密度，增加了对电磁辐射的敏感性，导致信号串扰和热量积累，限制了设备的性能和寿命。虽然导电薄膜（如金属、石墨烯、碳纳米管和MXene）能屏蔽外部电磁辐射，但难以贴合不规则的电子元件，无法有效解决缝隙中的问题。聚合物基导电粘合剂虽然流动性强，能填充空隙并阻挡电磁干扰，但绝缘措施复杂，阻碍了电子产品的小型化。要解决这一困境，需要一种集成电绝缘、EMI屏蔽和散热性能的直接灌封材料。然而，由于缺乏相关理论支持，制造具有这些综合属性的材料仍具挑战性。
据此，北京化工大学张好斌教授团队提出了一种微电容器结构模型，其中包含导电填料作为极板和中间聚合物作为介电层，以开发绝缘电磁干扰屏蔽聚合物复合材料。板中的电子振荡和介电层中的偶极子极化有助于电磁波的反射和吸收。在此指导下，协同非渗透致密化和介电增强使复合材料能够结合高电阻率、屏蔽性能和导热性。其绝缘特性允许直接灌封到组装组件之间的缝隙中，以解决电磁兼容性和热量积累问题。
2024年9月12日，相关成果以“Insulating electromagnetic-shielding silicone compound enables direct potting electronics”为题发表在Science上，第一作者为北京化工大学周新峰（博士生），张好斌教授为通讯作者。
电子元件（EC）的高堆叠为高性能小型化电子产品实现密集的计算和通信功能提供了希望。然而，EC的高堆叠密度提高了功率密度，并导致对电磁（EM）辐射的敏感性。因此，信号串扰和热量积累限制了集成电子元件的性能、寿命和稳健性。尽管由金属、石墨烯、碳纳米管以及过渡金属碳化物和氮化物（MXenes）制成的导电薄膜能够通过附着在表面 来屏蔽外部电磁辐射，但它们难以适形地适应不规则的EC来解决间隙和缝隙中的信号串扰和过热问题。另一种由聚合物基体和导电填料组成的导电胶粘剂具有出色的流动性和填充能力，被填充到狭窄的间隙中，以直接阻挡EM干扰（EMI）和导热。然而，需要采取绝缘措施来避免短路，这会使封装设计复杂化并阻碍电子产品的小型化。这种困境需要将集成电子元件的电绝缘、EMI屏蔽和散热性能集成在一起的一体化直接灌封材料。
自从1836年法拉第关于金属护罩对抗电场的报道以来，各种导电材料一直被认为是阻挡电磁辐射的理想候选材料。在过去的几年里，研究人员和工程师们一直在Simon’s方程的指导下，努力追求高导电性和屏蔽效率（SE）:
其中，α和d分别为复合材料的电导率和厚度，f是电磁波的频率。从理论上讲，导电材料的电磁干扰屏蔽能力主要来源于导电网络内的自由电子传递及其与电磁波的相互作用。然而，由于缺乏绝缘-EMI屏蔽理论，使得制造具有高电绝缘、EMI屏蔽和散热属性的材料具有挑战性，即使是使用最先进的技术。
主 要 内 容
微电容器模型指导材料设计和优化
本研究发现实验中的EMI屏蔽效能（SE）值普遍高于Simon方程的理论预测（图1A），这可能归因于复合材料中的绝缘结构也参与了EMI屏蔽作用。除了导电网络，材料中的填料和聚合物基体构成了伪平行板微电容器（图1B、C），这些微电容器通过电磁波耦合来产生屏蔽效应。当导电性降低时，绝缘微电容器逐渐增多，进一步增强屏蔽能力。极板中的电子振荡和介电层中的偶极子极化相互作用，阻止电磁波传播，同时将电磁能转化为热量。通过增加极板面积、数量和介电常数，可以优化这些微电容器的EMI屏蔽性能（图1F），为解决电绝缘与EMI屏蔽之间的矛盾提供了新的途径。
图1. 集成绝缘性、EMI 屏蔽和热导的微电容器模型设计
研究了液态金属灌封材料（LMP）的电磁干扰（EMI）屏蔽和导热性能。通常，导电纳米填料需要构建超过趋肤深度的组件来阻挡电磁波，而液态金属由于其流动性和剪切混合性，可形成大于其趋肤深度的球形微粒。通过引入表面氧化的液态金属颗粒（o-LM），增强了LMP的微电容器结构，显著提升了EMI屏蔽效能和热导率。o-LM减少了颗粒间距，增加了填充率，保持高电阻率，并通过增强微电容器数量及其内部电场，加速了电磁波能量的吸收与反射。最终，优化后的LMPDens在2 mm厚度下的EMI SE达到了18.7 dB，热导率为2.2 W m−1 K−1，性能显著优于传统材料（图2）。
图2. 用于优化 EMI SE 和热导率的非渗透致密化
通过引入BaTiO3纳米颗粒，增强了LMPDens材料的介电性能和导热能力，形成了新型复合材料LMPFill。BaTiO3 纳米颗粒主要分布在聚合物基质中，防止了LM颗粒沉降，同时阻碍了电子传输，确保材料具有高电阻率（>1015 ohm∙m）。这些纳米颗粒还提高了微电容器介电层的介电常数，增加了反向电磁波的强度和反射能力，促进了电磁能到热能的转化。LMPFill在X波段2mm处的EMI屏蔽效能（SE）达到了32.5 dB，在Ka波段更是高达89.5 dB（图3D），远超多数导电复合材料。此外，LMPFill展现了4.23 W m−1 K−1的高导热率和1580%的导热率增强（图3E），使其兼具电绝缘、EMI屏蔽和导热三重功能，适用于集成电子设备的直接灌封，且表现优于传统导电复合材料。
图3. 用于提高 EMI SE 和热导的介电层介电性能优化
开发了一种基于LMPFill的高效包装技术，用于解决电子设备中的电磁兼容性(EMC)和热量积累问题。与传统的隔室屏蔽不同，LMPFill凭借其绝缘特性和优异的流动性，能够直接灌封电子组件，避免短路风险，实现无缝密封（图4A、4B）。LMPFill的流动性和较低粘度使其可以填充EC的间隙，粘附力强，且能显著降低电磁透射率至<1%（图4C）。其拉伸性和粘附性使其适用于可穿戴设备等动态应用。通过近场扫描技术验证，LMPFill在8至20GHz频率范围内有效防止电磁干扰（图4F）。此外，LMPFill具备良好的导热性，能够快速传导热量，降低主板和CPU温度（图4H），并在高温下保持长期稳定性。其高电击穿强度（~3.0 kV mm−1）确保了在高压设备中的应用，且剪切混合工艺具备工业扩展潜力。
图4. 使用 LMPFill 直接灌封电子器件，以解决 EMC 和积热问题
综上，在聚合物复合材料中，将孤立的LM颗粒定义为极性板，将中间基体定义为介电层的微电容器结构。与传统的屏蔽机制不同，板中的电子振荡反射了电磁波，板中的欧姆损耗以及介电层中的偶极子极化吸收了电磁能量，在保持绝缘特性的同时提供了较强的屏蔽能力。通过引入较小的表面氧化的LM颗粒和高介电的钛酸钡纳米颗粒，优化了微电容器-电磁波相互作用和电子-声子传热，集成了高电阻率、突出的EMI屏蔽和卓越的导热性。通过无短路的有效的NF辐射屏蔽和散热性能，验证了该绝缘复合材料的优势，推动了电子产品的集成和缩小规模。
