基板材料(Substrate Materials)和热界面材料(Thermal Interfaces Materials,TIMs)是电子封装工艺所用材料中的两个重要组成部分,基板材料的主要作用是作为电子元器件的载体,为电子元器件之间电路的焊接提供平台,同时其兼具的电绝缘、高导热、热稳定性等性能为电子元器件安全、稳定的工作提供了可靠的保障。而热界面的材料的主要作用是填充在电子元器件与基板或电子元器件的间隙中以强化界面传热。近些年随着电子行业的飞速发展,电子元器件正在不可避免的向着小型化、轻薄化、高速化以及高集成化方向发展。可是电子元器件高度集中的组装密度以及高运算速度所导致的电子元器件热量散逸问题已经成为限制下一代新型电子元器件发展的瓶颈。与此同时,电子封装材料通常是点对点的解决某一电子器件的需求,缺乏普适性,同样造成电子封装材料在生产、加工、销售以及售后服务方面存在很多不便。综合以上所述问题,已经成为全球电子封装领域研究员与工程师们关注的重点。因此为了满足未来微电子行业的发展需求,开发新型高性能的电子封装材料已经刻不容缓。经过对国内外电子封装材料研究现状与未来以满足下一代电子元器件应用需求的新型电子封装材料发展趋势的分析与研究,结合集成电路产业已经成为我国经济发展的主驱动力以及国家信息安全的紧迫需求。我们以制备高性能基板材料和热界面材料为目标,其中以实现材料的高导热性能和电绝缘性能为主,设计并制备了具有取向导热结构的导热材料,提出了电子封装材料模块化的概念。研究了这些材料的传热性能、电绝缘性能、力学性能、粘接性能、介电性能以及材料的微观结构与性能调控,取得的主要研究成果如下所示:1.单一取向传热聚合物导热材料:该部分工作的内容主要集中在二维导热增强填料(例如:六方氮化硼、鳞片石墨和多层石墨烯)在聚合物基体中的的水平取向、结构设计以及导热增强。该部分的工作内容将通过以下四个部分进行陈述:1.1多巴胺化学已被用于通过在无溶剂水性条件下在材料表面形成聚多巴胺(PDA)壳来实现材料的改性。拥有相似六方结构的鳞片石墨和芳香族多巴胺分子之间强烈的π-π相互作用确保了多巴胺化学法表面改性石墨片的可能性。石墨片上的PDA涂层通过氢键和共价键增强了石墨片与柔性脂环族环氧树脂(CER)基体之间的相互作用。鳞片石墨片本身具有高的纵横比(aspectratio),在重力场的协助下,改性后的PDA@石墨片在聚合物基体中沿水平方向堆叠。随后我们研究了填料的取向程度和热分解机理。动态力学分析(DMA)也被用来研究微观结构和性能之间的关系。由于表面改性和PDA@石墨片的取向,所制备的CER/PDA@石墨片复合材料具有较高的面内导热系数(～9.053 W/m·K)。另外,所制备的复合材料同样具有优异的粘接性能和热稳定性能。1.2通过使用杂化二维堆叠填料和控制填料在聚合物基体中的水平取向,我们实现了聚合物复合材料在保持低电导率的同时,导热性能的显著提升。首先,我们改进了Hummers方法,制备了氧化石墨烯片(GO),并同时通过二乙烯基三胺(DETA)还原/官能化以获得氨基官能化还原氧化石墨烯片(NfG)。随后NfG片通过π-π相互作用力被固定在六方氮化硼片(h-BN)的表面上,NfG片彼此之间被h-BN很好地分隔开。该杂化二维堆叠填料(NfG@h-BN)在聚合物基体中水平取向后,不仅显著提高了复合材料的导热系数(～3.409W/m·K),而且获得了非常低的导电率(导电率<6.5×10-12 S/cm)。低导电率源自h-BN绝缘网络的嵌入,良好的分离了 NfG片,抑制了载流子的迁移。另外,纳米复合材料还表现出良好的热稳定性和粘合性能。这种特殊的结构设计将为制造高导热性和低导电性的热界面材料提供新思路。1.3在这项工作中,通过将六方氮化硼片(h-BN)和氨基化碳纳米管(CNT-NH2)填充入脂环族环氧树脂(CER)基体中,设计并制备了三种具有不同尺寸的两种填料的协同增强结构,分别如下:(a)CER/h-BN、(b)CER/h-BN@CN-NH2和(c)CER/CNT-NH2/h-BN基复合材料。在这三种种结构中,h-BN片在重力作用下沿水平方向堆叠并且填料之间相互作用。我们获得了导热性能增强的复合材料(面内导热系数～1.76 W/m·K和面外导热系数～1.09W/m·K)。复合材料的良好电绝缘性能和机械性能为其在电子封装领域的应用提供了可能。无溶剂加工流程环保、操作简单、适合大规模生产。1.4在这项工作中,我们制备了一种填充杂化多层石墨烯片(mG)/六方氮化硼片(h-BN)的新型脂环族环氧树脂(CER)基复合材料。首先,h-BN片通过多巴胺化学方法进行表面修饰,得到改性填料PDA@h-BN。聚多巴胺分子的附着改善了聚合物基体与填料之间的界面相容性。将固定含量的mG片与PDA@h-BN混合进行杂化处理,然后将杂化填料mG/h-BN@PDA加入到CER基体中。由于填料的高纵横比,聚合物基体的低粘度和重力的辅助作用,杂化填料PDA@h-BN将沿水平方向定向堆叠。经过改性、杂化处理以及水平取向,我们发现复合材料的多项性能显著增强,例如:热分解性能的提升,机械性能的增强(拉伸强度=5.50 MPa),导热性能的提高(面外～1.27 W/m·K,面内～1.31 W/m·K)和高电绝缘性(导电率<1.5X 10-10S/cm)。2.双取向传热聚合物基导热材料:单一取向传热的聚合物基导热材料利用二维导热增强填料之间高的接触面积,有效的降低了填料之间的接触热阻,从而可以获得在某一方向上的高效热传导。可是有些场合,我们需要热量可以沿着水平以及垂直方向同时传导。传统的一维填料通常可以实现热量的各向同性传导,可是一维填料之间低的接触面积导致的高的接触热阻,往往使得材料的导热系数很低或者填料添加量很高。因此,我们试着在单一取向传热的工作基础上,同时实现水平和垂直方取向传热通道的构筑以满足特殊场合对各向同性传热性能的需求。相关工作如下所示:2.1超高纵横比导热填料的取向可以在低填料添加量的情况下高效地构建传热路径并提高复合材料的导热性能。然而,当需要各向同性的热传导时,单一取向(垂直或水平)限制了这些材料的应用。这部分工作,我们采用了一种新颖而简单的策略,以脂环族环氧树脂(CER)作为基体所制备的纳米复合材料具有垂直排列的六方氮化硼(h-BN)片和随机分散的胺基化碳纳米管(CNT-NH2)的定向三维交错互连网络。在该结构中,涂覆有磁性颗粒的h-BN薄片可以响应外部磁场,然而CNT-NH2不能。所获得的复合材料在低h-BN添加量(30 wt%)时表现出优异的垂直(～0.98W/m·K)和水平(～0.99W/m·K)导热系数,同时还具有优异的电绝缘性能(导电率<1.2×10-12 S/cm)。此外,当h-BN的负载量高于25 wt%时,显示出相近的面外和面内导热系数。红外成像测试通过以复合材料作为散热材料捕获导热材料的表面温度变化,该导热复合材料展现出了优异的散热能力以及各向同性传热功能。2.2该部分工作,我们首先赋予六方氮化硼片(h-BN)磁场响应性能,制备四氧化三铁纳米(Fe304)颗粒修饰的六方氮化硼片Fe@h-BN。随后,将Fe@h-BN与少层石墨烯片(LG)以及聚合物共混,获得的混合物先置于水平磁场环境中,使得Fe@-hBN片水平取向,由于相互作用力的存在,LG片也会水平取向。随后将外加磁场旋转90度,具有磁响应性能的Fe@h-BN片的取向方向会跟随外加磁场方向的改变而改变,由水平取向变成垂直取向,与此同时,LG片的取向方向不变。最后我们研究了所制备的六方氮化硼与少层石墨烯的定向三维交错互连网络的性能,所获得的复合材料CER/LG/Fe@hBN具有优异的水平导热系数(0.97 W/m·K)和垂直导热系数(0.85 W/m·K)。红外成像测试通过以复合材料作为散热材料捕获导热材料的表面温度变化,该导热复合材料所展现出的优异散热能力以及各向同性传热功能值得被关注。3.聚合物基导热界面粘接材料:拥有不同导热结构的导热材料的模块化设计主要包括:(a)取向传热导热材料的设计与制备和(b)取向传热导热材料之间的组装。本工作中,我们尝试用界面粘接的方式,实现各个功能模块之间的组装。块体聚合物基导热材料之间的组装主要存在界面接触不紧密从而导致传热效率低下的问题。因此我们需要一种界面粘接材料,在实现块体界面之间的界面紧密衔接时,又能块体导热材料之间的高效传热。除此之外,为实现导热功能模块组装后整体机械强度的提高,界面粘接材料的粘接强度同样不可忽视,相关工作如下所示:3.1通过乳液共混和静电自组装法,我们制备了聚(丙烯酸2-乙基己酯)/功能化石墨烯@六方氮化硼(P2EHA/f-G@h-BN)导热复合材料。在这里,自组装技术已被用于通过π-π相互作用实现了功能化石墨烯片(f-G)对六方氮化硼片(h-BN)的表面非共价键改性,制得杂化填料f-G@h-BN。功能化石墨烯表面上的极性官能团通过次级相互作用增加了杂化填料与聚合物基体之间的相互作用。杂化填料在聚合物基体中的水平取向堆叠,使复合材料具有更高的面内导热性(～1.969 W/m·K)。除此之外,所制备的复合材料同时也具有良好的粘接性能(～8.448 N)。该方法环保、操作方便、并具有大规模生产的潜在价值。3.2通过胶体共混和自组装技术,借助于次级作用力和亲水性差异,制备了功能化石墨烯层(f-G)与六方氮化硼层(h-BN)增强复合界面粘接材料。在该体系中,细乳液聚合法制备的聚(丙烯酸2-乙基己酯)(P2EHA)乳液颗粒通过自组装技术将f-G层和h-BN层连接起来。借助路易斯酸碱相互作用和π-π堆积作用提高了填料和聚合物基体之间的相容性。两种导热填料的水平取向堆叠和层压结构获得了高的面内热导系数(～4.20 W/m·K)和良好的粘接性能,并且在面内方向上具有优异的电绝缘性。4.聚合物基导热材料的模块化组装与传热模拟:本章节我们将更加关注聚合物基导热材料之间的模块化组装,同时借助有限元分析法(FEA,Finiteelementanalysis)进行传热仿真研究。我们首先分别研究了导热复合材料的水平取向结构、垂直取向结构和水平与垂直同时取向结构中二维导热填料的取向和间距对导热复合材料传热效率的影响。随后我们将这三种不同取向结构的模块组装在一起,初步探索不同导热功能模块之间的模块化组装。很多实际组装加工过程中的复杂问题并没有做十分深入全面的研究,相信在以后的工作中会继续完善该部分工作。