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電子封裝材料
1、IEEE T. Comp. Pack. Man.：IMC厚度對微凸點機械性能的影響
由于電子產品向高密度、小尺寸的方向不斷發展，互連焊點的尺寸也在不斷縮小。在正常使用條件下，微小焊點將同時受到多種載荷的作用，這將導致封裝結構中出現許多可靠性問題。
近日，中國電子科技集團公司第三十八研究所等機構的研究人員分析了熱壓鍵合過程中金屬間化合物（IMC）的生長模式，以及對銅柱微凸點的剪切強度和蠕變性能的影響。首先，通過調整熱壓鍵合過程中的鍵合參數，得到不同IMC厚度的焊點，并分析IMC在熱壓鍵合過程中的生長模式。其次，對具有不同IMC厚度的焊點進行剪切實驗，并分析IMC對焊點剪切強度和剪切斷裂模式的影響。最后，對不同IMC厚度的圓柱形焊點在不同應力條件下進行蠕變實驗。實驗結果顯示，在整個鍵合過程中，銅原子在溫度梯度（JTM）和濃度梯度（JCM）的共同作用下遷移，IMC呈現不對稱生長趨勢，生長速率隨鍵合保持時間的增加而逐漸減小。在相同的溫度條件下，焊點的剪切強度隨著保持時間的增加呈現先增加后減小的趨勢。此外，隨著IMC厚度的增加，焊點的剪切斷裂模式從初期的韌性斷裂變為韌脆組合斷裂，最終演變為脆性斷裂。隨著應力的不斷增加，所有焊點的穩態蠕變應變速率增加，并且斷裂位置傾向于從焊點內部靠近焊點和銅柱的交匯處。隨著IMC厚度的增加，焊點的穩態蠕變應變速率呈現出先下降后上升的趨勢。該項工作為電子封裝微凸點可靠性研究提供了參考。該文章以“Effect of IMC thickness on the mechanical properties of micro-bumps”發表于IEEE T. Comp. Pack. Man.上。
圖1. 焊點的剪切強度隨鍵和保持時間的變化趨勢
論文鏈接：
DOI: 10.1109/TCPMT.2023.3250467
2、IEEE T. Comp. Pack. Man.：雙層納米銀膏無壓燒結嵌入式冷卻SiC功率模塊的可靠性檢驗
近年來，研究人員已經發明許多不同的中空基板，應用于嵌入式散熱功率模塊。通過使用低應力殘留的多層納米銀漿組合無壓燒結來獲得合格的熱界面材料（TIM）接合是這些易碎堆疊封裝中的一個必要工藝。
近日，中國科學院微電子研究所等機構的研究人員通過進行燒結和功率循環過程，研究了雙層納米銀膏整體無壓燒結TIM接頭的可靠性問題。根據Anand粘彈性本構模型的預測，在TIM接頭內的最大殘余應力僅為63.18 MPa，遠低于封裝材料的拉伸強度。從所有的掃描電子顯微鏡（SEM）、X射線和掃描聲學顯微鏡（SAM）圖像研究中，上下層納米銀膏整體無壓燒結的TIM接頭（50 ± 10 μm厚度）的上下部分僅含有少量的裂紋和分層（孔隙率分別為1.6 ± 0.1%和8.5 ± 0.1%）。測得燒結TIM接頭上下部分的鍵合強度分別達到了38 ± 2 MPa和63.8 ± 2 MPa，高于行業要求（30 MPa）。在經過21,000次功率循環后，燒結TIM接頭上下部分的熱阻僅增加了10.3%和5.3%，遠低于失效標準（20%）。該多層納米銀漿組合無壓燒結工藝有望應用于嵌入式散熱功率模塊堆疊封裝。該文章以“Reliability Inspection for Bilayer Nanosilver Paste Ensemble Pressureless Sintered Embedded Cooling SiC Power Module”發表于IEEE T. Comp. Pack. Man.上。
圖2.功率循環下納米銀燒結TIM接頭上下部分的（a）馮米塞斯應力、（b）塑性應變
論文鏈接：
DOI: 10.1109/TCPMT.2023.3243737
3、J. Electron. Packaging：利用數值模擬的虛擬樣機優化設計以確保電子組件組裝和互連中的熱機械可靠性
車載領域對電子元件的運行條件比消費電子苛刻很多，除了振動、灰塵和濕度的影響外，更極端的溫度負載通常也會阻礙低成本高集成度組件的應用。
近日，弗勞恩霍夫電子納米系統研究所等機構的研究人員提出了一種方法，使用“虛擬樣機（virtual prototyping）”技術來評估電子封裝的熱機械可靠性。首先通過有限元模擬，對比了虛擬倒裝球柵陣列封裝（FC-BGA）和參考芯片級封裝（CSP），然后使用組合測量-模擬技術，以參考對象為基礎，對有限元模擬進行校準。校準是基于通過模擬和光學測量獲得的平面變形場（使用基于灰度相關方法的光學傳感器進行平面變形和應變場分析）。該研究方法適用于其他具有類似設計的封裝類型的失效分析，以在物理制造之前評估其對期望應用的適用性。該項工作為如何經濟、高效地評估電子封裝設計的熱機械可靠性提供了有力參考。該文章以“Design Optimization by Virtual Prototyping Using Numerical Simulation to Ensure Thermomechanical Reliability in the Assembly and Interconnection of Electronic Assemblies”發表于J. Electron. Packaging上。
圖3.單對稱無底部填充參考模擬模型
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https://doi.org/10.1115/1.4056445
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電介質材料
1、Nature：用于高溫電容儲能的梯形共聚物
為了應用于高溫電容儲能，聚合物介電材料需要同時具有低導電性和高導熱性。如何使材料同時具有這些看似矛盾的性能十分具有挑戰性。
最近，上海交通大學等機構的研究人員報道了一種在高電場和高溫下，電導率比現有聚合物低一個數量級以上的梯蕃（ladderphane）共聚物。因其較低的電導率，該ladderphane共聚物在200℃下充放電效率為90%的放電能量密度為5.34?J?cm?3，，超過了現有的介電聚合物和復合材料。通過π–π堆疊相互作用，ladderphane共聚物自組裝成高度有序陣列，從而產生1.96?±?0.06?W?m?1?K?1的本征貫穿平面熱導率。共聚物膜的高導熱性實現有效的焦耳熱耗散，因此在高溫和高電場下具有優異的循環穩定性。該研究展現了ladderphane共聚物在極端條件下的高能量密度聚合物電容器中的應用前景，為未來高溫儲能介質材料的發展提供了參考。該工作以“Ladderphane copolymers for high-temperature capacitive energy storage”發表于Nature上。
圖4. ladderphane共聚物（PSBNP-co-PTNI0.02）以及其他聚合物和復合薄膜的放電能量密度和充放電效率對比圖
論文鏈接：
https://doi.org/10.1038/s41586-022-05671-4
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熱管理材料
1、Small：通過雙hBN包封的超高界面熱傳導實現2D電子器件的有效熱管理
散熱問題一直是限制高性能電子器件發展的主要因素，在超薄層、異質結構和界面組成的新型納米電子器件中尤為突出，因為這些器件需要高效的熱傳導性能。
最近，凱斯西儲大學等機構的研究人員報道了一種擁有超高界面熱導率的結構，即單層過渡金屬二硫化物MX2（MoS2、WSe2、WS2）夾在兩個六方氮化硼（hBN）層之間組成的包封范德華（vdW）異質結構。通過在不同激光功率和溫度下，對懸浮和襯底支撐的hBN/MX2/hBN異質結構進行拉曼光譜測量，校準了垂直堆疊中的面外界面熱導率。測得MX2和hBN之間的界面熱導率為74 ± 25 MW m-2K-1，比非包封結構中MX2的界面熱導率高出十倍以上。此外，分子動力學（MD）計算驗證并解釋了實驗結果，表明hBN層的完全包封是高界面熱導率的原因，超高界面熱導率歸因于兩種晶體二維材料之間的雙重傳熱路徑和清潔、緊密的vdW界面。該研究揭示了hBN/MX2/hBN結構中的新熱傳輸機制，并為構建具有高效熱管理的新型hBN包封納米電子器件提供了新的思路。該文章以“Ultra-High Interfacial Thermal Conductance via Double hBN Encapsulation for Efficient Thermal Management of 2D Electronics”發表在Small上。
圖5.hBN包封結構和其他器件結構示意圖及界面熱導率比較
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https://doi.org/10.1002/smll.202205726
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電磁屏蔽材料
1、Adv. Mater.：在聚酰亞胺復合薄膜上可控分布Ti3C2Tx空心微球以實現優異電磁屏蔽性能
聚合物基柔性多功能電磁干擾（EMI）屏蔽復合薄膜在5G通信技術、可穿戴電子設備和人工智能領域有重要應用。
近日，西北工業大學等機構的研究人員基于多孔/多層結構設計，以聚酰亞胺（PI）為基體，以聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）微球為模板，通過犧牲模板法成功制備出Ti3C2Tx空心微球孔徑和分布可控的柔性（Fe3O4/PI）-Ti3C2Tx-（Fe3O4/PI）復合薄膜。由于多孔/多層結構，當Ti3C2Tx空心微球的孔徑為10 μm，PMMA/Ti3C2Tx的質量比為2:1時，復合薄膜具有最優異的EMI屏蔽性能，EMI屏蔽效能（EMI SE）可達85dB。并通過有限元模擬進一步驗證了該復合薄膜在電磁波屏蔽方面具有出色的效能。此外，該復合薄膜還具有良好的導熱性（導熱系數為3.49 W m-1K-1）和機械性能（拉伸強度為65.3 MPa）。這種柔性復合膜具有優異的電磁屏蔽性能、導熱性能和機械性能，在大功率、便攜式和可穿戴柔性電子設備的電磁干擾防護方面顯示出巨大的應用潛力。該文章以“Controlled Distributed Ti3C2Tx Hollow Microspheres on Thermally Conductive Polyimide Composite Films for Excellent Electromagnetic Interference Shielding”發表于Adv. Mater.上。
圖6. （Fe3O4/PI）-Ti3C2Tx-（Fe3O4/PI）復合薄膜及其他材料的EMISE與厚度的關系
論文鏈接：
https://doi.org/10.1002/adma.202211642
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熱電材料
1、Adv. Funct. Mater.：通過外延應變的合理控制使Mg3Sb2薄膜的價帶收斂從而提高熱電性能
應變工程被證明可以有效地調節材料的性能，例如熱電、鐵電和光伏性能。外延應變作為應變工程的直接途徑，經常被提出可用于合理控制熱電材料的電子結構和性能，但缺乏相關實驗驗證。
近日，武漢理工大學等機構的研究人員證實了通過可調諧的大外延應變，以及襯底的選擇，可實現Mg3Sb2外延膜的價帶收斂。Mg3Sb2薄膜中高達8%的大外延應變是應變工程中最重要的結果之一。角分辨光電子能譜測量和理論計算揭示了外延應變在調控Mg3Sb2的晶場分裂和能帶結構中的關鍵作用。通過平面壓縮應變適當調控晶場效應，在應變Mg3Sb2膜中清楚地發現了價帶收斂。因此，通過應變工程使Mg3Sb2膜的熱電功率因數達到了0.94 mW m?1 K?2，遠遠超過松弛應變的Mg3Sb2。這項工作為有效控制Mg3Sb2和其他熱電薄膜的外延應變和能帶會聚提供了參考。該項研究以“Rational Manipulation of Epitaxial Strains Enabled Valence Band Convergence and High Thermoelectric Performances inMg3Sb2 Films”發表于Adv. Funct. Mater.上。
圖7. 松弛應變和平面壓縮應變Mg3Sb2薄膜熱電性能（電導率σ、塞貝克系數S、功率因數PF）與溫度的關系
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https://doi.org/10.1002/adfm.202300154