電子元件的高度堆疊為微型電子設(shè)備提供了密集計(jì)算和通信功能的可能性，但同時(shí)也提高了功率密度，增加了對(duì)電磁輻射的敏感性，導(dǎo)致信號(hào)串?dāng)_和熱量積累，限制了設(shè)備的性能和壽命。雖然導(dǎo)電薄膜（如金屬、石墨烯、碳納米管和MXene）能屏蔽外部電磁輻射，但難以貼合不規(guī)則的電子元件，無法有效解決縫隙中的問題。聚合物基導(dǎo)電粘合劑雖然流動(dòng)性強(qiáng)，能填充空隙并阻擋電磁干擾，但絕緣措施復(fù)雜，阻礙了電子產(chǎn)品的小型化。要解決這一困境，需要一種集成電絕緣、EMI屏蔽和散熱性能的直接灌封材料。然而，由于缺乏相關(guān)理論支持，制造具有這些綜合屬性的材料仍具挑戰(zhàn)性。

為了克服這一困境，北京化工大學(xué)張好斌教授團(tuán)隊(duì)提出了一種微電容器結(jié)構(gòu)模型，其中包含導(dǎo)電填料作為極板和中間聚合物作為介電層，以開發(fā)絕緣電磁干擾屏蔽聚合物復(fù)合材料。板中的電子振蕩和介電層中的偶極子極化有助于電磁波的反射和吸收。在此指導(dǎo)下，協(xié)同非滲透致密化和介電增強(qiáng)使復(fù)合材料能夠結(jié)合高電阻率、屏蔽性能和導(dǎo)熱性。其絕緣特性允許直接灌封到組裝組件之間的縫隙中，以解決電磁兼容性和熱量積累問題。相關(guān)成果以“Insulating electromagnetic-shielding silicone compound enables direct potting electronics”為題發(fā)表在《Science》上，第一作者為北京化工大學(xué)周新峰博士。

微電容器模型指導(dǎo)材料設(shè)計(jì)和優(yōu)化

作者發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)中的EMI屏蔽效能（SE）值普遍高于Simon方程的理論預(yù)測(cè)（圖1A），這可能歸因于復(fù)合材料中的絕緣結(jié)構(gòu)也參與了EMI屏蔽作用。除了導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，材料中的填料和聚合物基體構(gòu)成了偽平行板微電容器（圖1B、C），這些微電容器通過電磁波耦合來產(chǎn)生屏蔽效應(yīng)。當(dāng)導(dǎo)電性降低時(shí)，絕緣微電容器逐漸增多，進(jìn)一步增強(qiáng)屏蔽能力。極板中的電子振蕩和介電層中的偶極子極化相互作用，阻止電磁波傳播，同時(shí)將電磁能轉(zhuǎn)化為熱量。通過增加極板面積、數(shù)量和介電常數(shù)，可以優(yōu)化這些微電容器的EMI屏蔽性能（圖1F），為解決電絕緣與EMI屏蔽之間的矛盾提供了新的途徑。

圖 1. 集成絕緣性、EMI 屏蔽和熱導(dǎo)的微電容器模型設(shè)計(jì)

非滲透致密化

作者研究了液態(tài)金屬灌封材料（LMP）的電磁干擾（EMI）屏蔽和導(dǎo)熱性能。通常，導(dǎo)電納米填料需要構(gòu)建超過趨膚深度的組件來阻擋電磁波，而液態(tài)金屬由于其流動(dòng)性和剪切混合性，可形成大于其趨膚深度的球形微粒。通過引入表面氧化的液態(tài)金屬顆粒（o-LM），增強(qiáng)了LMP的微電容器結(jié)構(gòu)，顯著提升了EMI屏蔽效能和熱導(dǎo)率。o-LM減少了顆粒間距，增加了填充率，保持高電阻率，并通過增強(qiáng)微電容器數(shù)量及其內(nèi)部電場(chǎng)，加速了電磁波能量的吸收與反射。最終，優(yōu)化后的LMPDens在2 mm厚度下的EMI SE達(dá)到了18.7 dB，熱導(dǎo)率為2.2 W m^?1 K^?1，性能顯著優(yōu)于傳統(tǒng)材料（圖2）。

圖 2. 用于優(yōu)化 EMI SE 和熱導(dǎo)率的非滲透致密化

介電性能優(yōu)化

作者通過引入BaTiO₃納米顆粒，增強(qiáng)了LMPDens材料的介電性能和導(dǎo)熱能力，形成了新型復(fù)合材料LMPFill。BaTiO₃ 納米顆粒主要分布在聚合物基質(zhì)中，防止了LM顆粒沉降，同時(shí)阻礙了電子傳輸，確保材料具有高電阻率（>10¹⁵ ohm?m）。這些納米顆粒還提高了微電容器介電層的介電常數(shù)，增加了反向電磁波的強(qiáng)度和反射能力，促進(jìn)了電磁能到熱能的轉(zhuǎn)化。LMPFill在X波段2mm處的EMI屏蔽效能（SE）達(dá)到了32.5 dB，在厚度6mm時(shí)Ka波段更是高達(dá)89.5 dB（圖3D），遠(yuǎn)超多數(shù)導(dǎo)電復(fù)合材料。此外，LMPFill展現(xiàn)了4.23 W m^?1 K^?1的高導(dǎo)熱率和1580%的導(dǎo)熱率增強(qiáng)（圖3E），使其兼具電絕緣、EMI屏蔽和導(dǎo)熱三重功能，適用于集成電子設(shè)備的直接灌封，且表現(xiàn)優(yōu)于傳統(tǒng)導(dǎo)電復(fù)合材料。

圖 3. 用于提高 EMI SE 和熱導(dǎo)的介電層介電性能優(yōu)化

電子灌封技術(shù)

作者開發(fā)了一種基于LMPFill的高效包裝技術(shù)，用于解決電子設(shè)備中的電磁兼容性(EMC)和熱量積累問題。與傳統(tǒng)的隔室屏蔽不同，LMPFill憑借其絕緣特性和優(yōu)異的流動(dòng)性，能夠直接灌封電子組件，避免短路風(fēng)險(xiǎn)，實(shí)現(xiàn)無縫密封（圖4A、4B）。LMPFill的流動(dòng)性和較低粘度使其可以填充EC的間隙，粘附力強(qiáng)，且能顯著降低電磁透射率至<1%（圖4C）。其拉伸性和粘附性使其適用于可穿戴設(shè)備等動(dòng)態(tài)應(yīng)用。通過近場(chǎng)掃描技術(shù)驗(yàn)證，LMPFill在8至20GHz頻率范圍內(nèi)有效防止電磁干擾（圖4F）。此外，LMPFill具備良好的導(dǎo)熱性，能夠快速傳導(dǎo)熱量，降低主板和CPU溫度（圖4H），并在高溫下保持長期穩(wěn)定性。其高電擊穿強(qiáng)度確保了在高壓設(shè)備中的應(yīng)用，且剪切混合工藝具備工業(yè)擴(kuò)展?jié)摿Α?

圖 4. 使用 LMPFill 直接灌封電子器件，以解決 EMC 和積熱問題

小結(jié)

本文設(shè)計(jì)了一種聚合物復(fù)合材料中的微電容器結(jié)構(gòu)，利用孤立的液態(tài)金屬（LM）顆粒作為極板，基質(zhì)作為介電層，實(shí)現(xiàn)了與傳統(tǒng)屏蔽機(jī)制不同的電子振蕩反射和歐姆損耗，以及偶極極化吸收電磁能量。在保持電絕緣的同時(shí)，提供了強(qiáng)大的電磁屏蔽效果。通過引入表面氧化的小LM顆粒和高介電BaTiO₃納米顆粒，優(yōu)化了微電容器與電磁波的相互作用和傳熱性能。此復(fù)合材料不僅在NF輻射屏蔽方面表現(xiàn)優(yōu)異，還能夠直接灌封主板，確保無短路散熱，推動(dòng)電子設(shè)備集成化和小型化發(fā)展。

作者簡介

張好斌，北京化工大學(xué)教授/博導(dǎo)，國家優(yōu)秀青年科學(xué)基金獲得者。入選2023年全球高被引科學(xué)家（Clarivate）、2023年全球前2%頂尖科學(xué)家年度科學(xué)影響力榜單（Stanford & Elsevier）、2023年全球頂尖科學(xué)家（Research.com）、國際科學(xué)組織Vebleo協(xié)會(huì)會(huì)士（Vebleo Fellow）。在Adv Mater，Angew Chem Int Ed，Adv Funct Mater和ACS Nano等國際著名期刊發(fā)表SCI論文96篇，SCI他引1000次以上1篇、500次以上7 篇，100次以上36篇，ESI高被引論文23 篇，熱點(diǎn)論文9篇，SCI總引用12700余次（Google學(xué)術(shù)總引用15000多次）。承擔(dān)國家優(yōu)青、面上、JKW173重大項(xiàng)目（課題負(fù)責(zé)人）和中石化橫向等項(xiàng)目，獲浙江省自然科學(xué)二等獎(jiǎng)（R4）和河南省自然科學(xué)三等獎(jiǎng)（R4）。兼聘中國材料研究學(xué)會(huì)青年工作委員會(huì)理事會(huì)理事、中國復(fù)合材料學(xué)會(huì)導(dǎo)熱復(fù)合材料專業(yè)委員會(huì)委員、中國化工學(xué)會(huì)化工新材料專業(yè)委員、《物理化學(xué)學(xué)報(bào)》、Wiley出版社《InfoMat》和《Nano-Micro Letters》等雜志青年編委。