編輯總結
雖然堆疊電子元件可以縮小設備的尺寸，但會產生兩個問題：熱量積累和防止電磁串擾的需求。通常，具有更好電磁干擾屏蔽性能的材料往往表現出較差的熱性能，反之亦然。本研究開發了一種復合材料，其中液態金屬顆粒嵌入硅聚合物基質中。使用液態金屬的優勢在于它能形成較大的相分離顆粒，但不會形成降低屏蔽效率的滲透網絡。該復合材料可以作為直接灌封材料使用，因此可以放置在狹窄的空間和縫隙中，而不像通常使用的剛性屏蔽材料那樣受到限制。—Marc S. Lavine
研究背景
隨著電子元件的高度堆疊技術的進步，微型電子設備的計算和通信功能得到了顯著提升。然而，這種堆疊技術也帶來了兩個主要挑戰：熱量積累和電磁串擾。由于堆疊元件的功率密度增加，傳統的屏蔽材料往往無法同時解決電磁干擾（EMI）和熱管理問題。導電薄膜雖然能夠有效屏蔽外部電磁輻射，但難以貼合不規則的元件并解決縫隙中的問題。而聚合物基導電粘合劑雖然能夠填充空隙并阻擋電磁干擾，但其絕緣措施復雜，限制了設備的小型化和集成度。為了解決這些問題，北京化工大學張好斌教授團隊提出了一種創新的解決方案。他們開發了一種微電容器結構模型，采用導電填料作為極板，中間聚合物作為介電層，以形成絕緣電磁干擾屏蔽聚合物復合材料。這種復合材料的電子振蕩和介電層中的偶極子極化機制有助于電磁波的反射和吸收。通過協同的非滲透致密化和介電增強，研究團隊的復合材料實現了高電阻率、優異的屏蔽性能和良好的導熱性。這種新型材料的絕緣特性使其能夠直接灌封到電子組件之間的縫隙中，從而有效解決了電磁兼容性和熱量積累的問題。以上成果在“Science”期刊上發表了題為“Insulating electromagnetic-shielding silicone compound enables direct potting electronics”的最新論文。
研究亮點
(1) 實驗首次將液態金屬顆粒嵌入硅聚合物基質中，開發出了一種具有電磁干擾屏蔽、熱導性和絕緣特性的復合材料。這種材料通過微電容器結構模型設計，使用導電填料作為極板，聚合物作為介電層，首次實現了電磁波的有效反射和吸收。(2) 實驗通過協同非滲透致密化和介電增強，使復合材料在保持高電阻率的同時，具備了優異的屏蔽性能和熱導性。該材料的創新之處在于其絕緣特性，能夠直接灌封至電子元件之間的縫隙，有效解決了電磁兼容性和熱量積累問題。(3) 該復合材料的液態金屬顆粒形成相分離顆粒，而不會形成滲透網絡，避免了短路風險。其結構設計不僅增強了電磁屏蔽效果，還使得材料適合用于緊密集成的電子設備中，解決了傳統剛性屏蔽材料難以適應狹窄空間的問題。
圖文解讀
圖1：集成絕緣性、EMI 屏蔽和熱導的微電容器模型設計。圖2. 用于優化 EMI SE 和熱導率的非滲透致密化。圖3. 用于提高 EMI SE 和熱導的介電層介電性能優化。圖4: 使用 LMPFill 直接灌封電子器件，以解決 EMC 和積熱問題。
總結展望
本文的研究提供了在高度集成電子設備中有效解決電磁干擾和熱量積累問題的新途徑。傳統的電磁屏蔽材料通常具有良好的屏蔽性能，但由于其導電性強，容易導致短路風險；而具有較好熱性能的材料則往往在電磁屏蔽方面表現較差。周新峰等人通過開發一種基于液態金屬和硅聚合物基質的復合材料，突破了這一困境。該研究提出了微電容器結構模型，將導電填料作為極板，聚合物作為介電層，充分利用了電子振蕩和偶極子極化機制，從而實現了高效的電磁波反射和吸收。關鍵在于，液態金屬顆粒在硅聚合物中形成的相分離結構避免了形成降低屏蔽效率的滲透網絡。與傳統剛性屏蔽材料不同，這種復合材料可以作為直接灌封材料應用，適合填充在狹小縫隙中，有效解決了電磁兼容性和熱量積累問題。這一研究不僅為電子設備的小型化和性能優化提供了新材料選擇，也推動了集成電絕緣、EMI屏蔽與散熱性能的綜合發展。 Xinfeng Zhou et al. ,Insulating electromagnetic-shielding silicone compound enables direct potting electronics.Science385,1205-1210(2024).DOI:10.1126/science.adp6581
