北科大查俊伟教授团队 AFM：连续突破聚合物低介电和高导热协同壁垒，打造首个“数显”热声集成器件

2024-11-19 来源：高分子科技

近年来，受益于国家政策的大力支持，我国的微电子封装和集成技术高速发展，促使电子电力设备愈加趋向多功能化和高功率化。像小米“SU7”、华为“三折叠”等智能高端电力产品的问世，也标志着内部热管理系统的进一步集成化。从市场需求来看，2024年我国消费电子市场规模可达19772亿元，其中，热管理市场的规模到2025年有望突破1140亿元。

然而，如何解决由高密度集成造成的信号传输质量差和热量积聚问题仍是制约电子、电力以及新能源领域创新发展的关键壁垒。目前，困于聚合物材料介电常数和导热系数之间的固有权衡，如何建立双效调控低介电常数和高导热系数之间的普适机制仍鲜为人知。因此，进一步突破聚合物电介质材料的低介电（<2.0）和高导热特性（>10W/m?K）面临着巨大挑战。

近日，北京科技大学查俊伟教授课题组在前期提出的“3D多孔复合网络”和“类晶相”结构的基础上，对材料的结构设计进一步升级，巧妙地提出了构建“多层3D多孔复合网络”和诱导界面处“类晶相自组装效应”的新思路，发展了一种“三明治”结构的低介电-高导热多孔聚酰亚胺复合薄膜，成功地将低介电聚合物材料的导热系数突破了10 W/m?K。该工作利用不同粒径的氟化钙（大粒径LCaF₂，300~500 nm和小粒径sCaF₂，40~60 nm，）作为导热填料，结合诱导致孔和热压工艺制备了三层多孔复合膜（PSLS，图1）。此外，基于 PSLS 薄膜组装了第一台集高效发声和实时显示功能于一体的数显热声发生器，为智能电子电力领域提供一种新概念材料。

图1. “三明治结构的PSLS薄膜的制备示意图及其内部结构

在这里，IL-sCaF₂ /PI 多孔复合薄膜作为三层结构的顶层和底层，中间是LCaF₂无机纳米层。LCaF₂中间层不仅可以作为绝缘层来阻断电子传导，促进介电常数的降低，而且能与上下两层中的聚合物分子形成较强的电荷转移相互作用，促进连续的三层3D复合网络结构的搭建。如图2所示，PSLS薄膜可在较宽的频率范围内保持稳定的超低介电常数（k<2.0）。

图2. PSLS薄膜的低介电和高绝缘性能的协同

同时，PSLS-8薄膜的面内导热系数高达13.58 W/m?K，克服了聚合物电介质中存在的介电常数和导热系数之间的传统权衡。如图3所示，LCaF₂纳米片可看作 “分子碎片”，在sCaF₂/PI 基质之间构建网络，减少层间空隙和界面热阻，受界面压缩力的影响，中间层的CaF₂纳米片更倾向于 “面对面 ”接触，从而有效促进水平方向的热传递。通过有限元模拟和分子动力学计算充分验证了所提出的 “多层3D多孔复合网络”和“类晶相自组装效应”这种导热特性增强策略的可靠性和普适性。

图3. PSLS薄膜的高导热特性及其内部传热模拟

基于 PSLS-8 表现出的高导热系数和超低介电常数，作者进一步开发了一种集发声-显示于一体的智能数显热声发生器。如图4所示，整个薄膜基板的尺寸为长5 cm、宽3 cm，厚度控制在 75 μm 左右。基底的左半部分是用于“热声”发生器的 “蛇形 ”电路，右半部分由功率为 20 mW 的 4*4 LED 阵列和跳线组成显示面板。研究表明，该器件的最大发声声压可达 60.1 dB，远远高于作者团队先前所开发的基于单层聚合物复合膜的“热声”器件的性能（Doi: 10.1002/adma.202307804）。

图4. 以PSLS薄膜为基底的数显热声发生器的设计及性能检测

作者提出了“多层3D多孔复合网络”和界面处“类晶相自组装效应”的创新思路，进一步突破了双效调控聚酰亚胺低介电和高导热特性的水平。基于有限元模拟和分子动力学计算，建立了协同改善聚合物电介质材料低介电和高导热特性的普适理论，可为开发服务于电子、电力和新能源领域的电介质材料提供了有效的理论指导。本工作近期以“Coordination of ultralow permittivity and higher thermal conductivity of polyimide induced by unique interfacial self-assembly behaviour”为题发表于Advanced Functional Materials (Doi: 10.1002/adfm.202417843)上。第一作者为北京科技大学董晓迪博士生。

原文链接：https://doi.org/10.1002/adfm.202417843

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