编辑总结
虽然堆叠电子元件可以缩小设备的尺寸，但会产生两个问题：热量积累和防止电磁串扰的需求。通常，具有更好电磁干扰屏蔽性能的材料往往表现出较差的热性能，反之亦然。本研究开发了一种复合材料，其中液态金属颗粒嵌入硅聚合物基质中。使用液态金属的优势在于它能形成较大的相分离颗粒，但不会形成降低屏蔽效率的渗透网络。该复合材料可以作为直接灌封材料使用，因此可以放置在狭窄的空间和缝隙中，而不像通常使用的刚性屏蔽材料那样受到限制。—Marc S. Lavine
研究背景
随着电子元件的高度堆叠技术的进步，微型电子设备的计算和通信功能得到了显著提升。然而，这种堆叠技术也带来了两个主要挑战：热量积累和电磁串扰。由于堆叠元件的功率密度增加，传统的屏蔽材料往往无法同时解决电磁干扰（EMI）和热管理问题。导电薄膜虽然能够有效屏蔽外部电磁辐射，但难以贴合不规则的元件并解决缝隙中的问题。而聚合物基导电粘合剂虽然能够填充空隙并阻挡电磁干扰，但其绝缘措施复杂，限制了设备的小型化和集成度。为了解决这些问题，北京化工大学张好斌教授团队提出了一种创新的解决方案。他们开发了一种微电容器结构模型，采用导电填料作为极板，中间聚合物作为介电层，以形成绝缘电磁干扰屏蔽聚合物复合材料。这种复合材料的电子振荡和介电层中的偶极子极化机制有助于电磁波的反射和吸收。通过协同的非渗透致密化和介电增强，研究团队的复合材料实现了高电阻率、优异的屏蔽性能和良好的导热性。这种新型材料的绝缘特性使其能够直接灌封到电子组件之间的缝隙中，从而有效解决了电磁兼容性和热量积累的问题。以上成果在“Science”期刊上发表了题为“Insulating electromagnetic-shielding silicone compound enables direct potting electronics”的最新论文。
研究亮点
(1) 实验首次将液态金属颗粒嵌入硅聚合物基质中，开发出了一种具有电磁干扰屏蔽、热导性和绝缘特性的复合材料。这种材料通过微电容器结构模型设计，使用导电填料作为极板，聚合物作为介电层，首次实现了电磁波的有效反射和吸收。(2) 实验通过协同非渗透致密化和介电增强，使复合材料在保持高电阻率的同时，具备了优异的屏蔽性能和热导性。该材料的创新之处在于其绝缘特性，能够直接灌封至电子元件之间的缝隙，有效解决了电磁兼容性和热量积累问题。(3) 该复合材料的液态金属颗粒形成相分离颗粒，而不会形成渗透网络，避免了短路风险。其结构设计不仅增强了电磁屏蔽效果，还使得材料适合用于紧密集成的电子设备中，解决了传统刚性屏蔽材料难以适应狭窄空间的问题。
图文解读
图1：集成绝缘性、EMI 屏蔽和热导的微电容器模型设计。图2. 用于优化 EMI SE 和热导率的非渗透致密化。图3. 用于提高 EMI SE 和热导的介电层介电性能优化。图4: 使用 LMPFill 直接灌封电子器件，以解决 EMC 和积热问题。
总结展望
本文的研究提供了在高度集成电子设备中有效解决电磁干扰和热量积累问题的新途径。传统的电磁屏蔽材料通常具有良好的屏蔽性能，但由于其导电性强，容易导致短路风险；而具有较好热性能的材料则往往在电磁屏蔽方面表现较差。周新峰等人通过开发一种基于液态金属和硅聚合物基质的复合材料，突破了这一困境。该研究提出了微电容器结构模型，将导电填料作为极板，聚合物作为介电层，充分利用了电子振荡和偶极子极化机制，从而实现了高效的电磁波反射和吸收。关键在于，液态金属颗粒在硅聚合物中形成的相分离结构避免了形成降低屏蔽效率的渗透网络。与传统刚性屏蔽材料不同，这种复合材料可以作为直接灌封材料应用，适合填充在狭小缝隙中，有效解决了电磁兼容性和热量积累问题。这一研究不仅为电子设备的小型化和性能优化提供了新材料选择，也推动了集成电绝缘、EMI屏蔽与散热性能的综合发展。 Xinfeng Zhou et al. ,Insulating electromagnetic-shielding silicone compound enables direct potting electronics.Science385,1205-1210(2024).DOI:10.1126/science.adp6581
