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随着高性能电子产品和高功率半导体器件不断发展，先进封装材料不仅需要具备良好的热管理能力，还要兼顾机械应力、电绝缘和尺寸稳定性。当前半导体封装中广泛使用环氧树脂及其复合材料，但环氧树脂本身热导率较低。虽然提高无机填料含量能够改善热传导并降低热膨胀系数，却容易带来应力和应变累积，进一步引发翘曲甚至器件失效。因此，如何在提升热导率的同时保持电绝缘、机械性能和尺寸稳定性，成为热管理封装材料的重要问题。
近期，上海大学丁鹏教授团队联合上海普利特复合材料股份有限公司开展研究，提出了一种金刚石、六方氮化硼与液态金属协同构筑的环氧树脂复合材料，为解决这一多性能平衡问题提供了新的思路。相关成果以“Liquid metal bridged Diamond-BN network for thermal-conductive and electrical-insulating composites”为题，发表于《Composites Communications》。
三种组分协同，构建连续导热网络
论文的核心并不是简单增加某一种高导热填料，而是利用不同材料在结构和功能上的互补关系，构建多尺度协同导热网络。
研究中，金刚石作为主要的导热骨架。其颗粒状形貌在较高填料含量下仍具有相对较好的流动性，可以形成基础导热框架；六方氮化硼则具有片层状、高长径比结构，能够连接金刚石颗粒，在原有骨架中形成热传导“加速区”。研究团队通过硅烷偶联剂对金刚石和氮化硼进行协同改性，使两种无机填料形成复合结构，同时降低填料与环氧树脂之间的界面热阻。
在此基础上，研究进一步引入镓基液态金属。液态金属经过超声处理后形成不同尺寸和形貌的液滴，并负载于无机填料表面，再引入环氧树脂基体。液态金属液滴能够填充金刚石、氮化硼以及填料与树脂之间的局部空隙，在不同导热通道之间形成“液态桥梁”，从而进一步压实原有的导热网络。
值得注意的是，液态金属在这里并非单纯作为高导热填料使用，其液态特征使其能够承担界面过渡和桥接作用，而其表面天然形成的氧化层又有助于维持复合材料的电绝缘性能。因此，论文实际上围绕“导热网络构筑”和“液态金属形貌调控”两条主线展开，通过调节偶联剂用量和超声时间寻找热导率、绝缘性及其他性能之间的平衡点。
热导率提升至2.14 W·m⁻¹·K⁻¹，同时保持高电绝缘
实验结果显示，纯环氧树脂的热导率仅为0.23 W·m⁻¹·K⁻¹。加入金刚石后提升至1.27 W·m⁻¹·K⁻¹，金刚石/氮化硼复合填料进一步提升至1.64 W·m⁻¹·K⁻¹。在引入经过优化处理的液态金属后，复合材料的面外热导率最高达到2.14 W·m⁻¹·K⁻¹，相较纯环氧树脂提高约830%。
论文还发现，液态金属的形貌控制存在明显的优化窗口。超声处理1 h时，复合材料获得最高热导率；如果超声时间过长，液态金属被进一步破碎成大量更细小的液滴，界面数量增加，反而会增强声子散射并降低热传输效率。
更重要的是，液态金属的加入并未牺牲材料的电绝缘能力。最佳样品体积电阻率达到1.9×10¹⁵ Ω·cm。论文认为，这与液态金属表面的氧化层以及偶联剂形成的有机—无机杂化界面层有关。不过，当超声时间过长时，细小液滴表面的氧化层更容易受到破坏，液态金属核心可能暴露并逐渐形成连续导电网络，从而导致绝缘性能明显下降。
从材料性能走向电子封装应用
除了热导率和绝缘性能，论文还考察了复合材料的动态力学性能和尺寸稳定性。结果表明，液态金属的加入能够在一定程度上缓解高含量无机填料带来的应力积累，并改善复合材料的综合性能。最佳样品低温和高温阶段的热膨胀系数均明显低于纯环氧树脂，体现出更好的尺寸稳定性。
有限元热传导模拟进一步表明，相比单纯金刚石填充以及金刚石/氮化硼复合填充体系，液态金属的引入能够进一步连接和压实导热通道，使热流密度提高、温度变化更加均匀。
在实际验证中，研究团队将复合环氧浆料涂覆于计算机主板上进行散热测试。通电运行100 s和200 s时，涂覆复合材料后的芯片中心温度分别比未涂覆状态降低约5 ℃和4 ℃，表明该材料具备一定的实际热管理应用潜力。
从“高导热”走向“多性能协同”
总体来看，这项研究的价值并不只在于将环氧树脂热导率提高到2.14 W·m⁻¹·K⁻¹，更重要的是提出了一种多维度填料互补的设计策略：金刚石负责搭建导热骨架，六方氮化硼负责连接和加速热传输，液态金属则承担界面桥接与热传导作用，同时借助氧化层和形貌调控维持电绝缘。
论文最终证明，通过合理设计无机填料之间的协同结构以及液态金属的尺寸、形貌和界面状态，可以在热导率、电绝缘、尺寸稳定性和机械性能之间实现更好的平衡。对于面向高功率半导体器件的环氧封装材料而言，这种“多组分协同+界面工程”的设计思路，为进一步解决封装体系中的热积累与热应力问题提供了新的材料路径。
图文导读
图1. (a) D@BN@sLM/EP复合材料的制备示意图，(b) D、BN和D@BN的XRD图谱，(c) D@BN@sLM的XPS光谱以及(d) O1s峰拟合结果，(e) D@BN填料的SEM图像， (f) D@BN@sLM-2复合材料的横截面及其放大图（g），（h-k）与（g）对应的EDS元素图。
图2. D@BN@sLM复合材料的应用示意图：(a) 复合材料的涂覆工艺，(b1) 原始主板，(b2、b3) 运行100秒和200秒后原始主板的红外热成像图像，(c1) 涂覆 D@BN@sLM-2 环氧树脂浆料的母板，(c2, c3) 涂覆 D@BN@sLM-2 环氧树脂浆料的母板在运行 100 s 和 200 s 后的红外热成像图，(d) 芯片工作温度随随时间变化的曲线。
