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北科大查俊偉教授團隊 AFM：連續突破聚合物低介電和高導熱協同壁壘，打造首個“數顯”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高速發展，促使電子電力設備愈加趨向多功能化和高功率化。像小米“SU7”、華為“三折疊”等智能高端電力產品的問世，也標志著內部熱管理系統的進一步集成化。從市場需求來看，2024年我國消費電子市場規模可達19772億元，其中，熱管理市場的規模到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量差和熱量積聚問題仍是制約電子、電力以及新能源領域創新發展的關鍵壁壘。目前，困于聚合物材料介電常數和導熱系數之間的固有權衡，如何建立雙效調控低介電常數和高導熱系數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材料的低介電（<2.0）和高導熱特性（>10W/m?K）面臨著巨大挑戰。

近日，北京科技大學查俊偉教授課題組在前期提出的“3D多孔復合網絡”和“類晶相”結構的基礎上，對材料的結構設計進一步升級，巧妙地提出了構建“多層3D多孔復合網絡”和誘導界面處“類晶相自組裝效應”的新思路，發展了一種“三明治”結構的低介電-高導熱多孔聚酰亞胺復合薄膜，成功地將低介電聚合物材料的導熱系數突破了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，）作為導熱填料，結合誘導致孔和熱壓工藝制備了三層多孔復合膜（PSLS，圖1）。此外，基于 PSLS 薄膜組裝了第一臺集高效發聲和實時顯示功能于一體的數顯熱聲發生器，為智能電子電力領域提供一種新概念材料。

圖1. “三明治結構的PSLS薄膜的制備示意圖及其內部結構

在這里，IL-sCaF₂ /PI 多孔復合薄膜作為三層結構的頂層和底層，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，促進介電常數的降低，而且能與上下兩層中的聚合物分子形成較強的電荷轉移相互作用，促進連續的三層3D復合網絡結構的搭建。如圖2所示，PSLS薄膜可在較寬的頻率范圍內保持穩定的超低介電常數（k<2.0）。

圖2. PSLS薄膜的低介電和高絕緣性能的協同

同時，PSLS-8薄膜的面內導熱系數高達13.58 W/m?K，克服了聚合物電介質中存在的介電常數和導熱系數之間的傳統權衡。如圖3所示，LCaF₂納米片可看作 “分子碎片”，在sCaF₂/PI 基質之間構建網絡，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計算充分驗證了所提出的 “多層3D多孔復合網絡”和“類晶相自組裝效應”這種導熱特性增強策略的可靠性和普適性。

圖3. PSLS薄膜的高導熱特性及其內部傳熱模擬

基于 PSLS-8 表現出的高導熱系數和超低介電常數，作者進一步開發了一種集發聲-顯示于一體的智能數顯熱聲發生器。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，該器件的最大發聲聲壓可達 60.1 dB，遠遠高于作者團隊先前所開發的基于單層聚合物復合膜的“熱聲”器件的性能（Doi: 10.1002/adma.202307804）。

圖4. 以PSLS薄膜為基底的數顯熱聲發生器的設計及性能檢測

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

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

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（責任編輯：xu）

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