利用澤攸科技SEM納米探針臺揭示先進核殼填料的電學特性
日期：2024-12-04
隨著現代電子設備快速發展，對熱管理材料的要求也越來越高。這些材料需要具備可控的電學性能，從導電、介電到絕緣，以滿足不同應用場景的需求。然而，通常情況下，具有高熱導率的材料也伴隨著高電導率，這限制了它們在某些需要電絕緣性的應用中的使用。盡管存在少數幾種本征高熱導但電絕緣的材料，如某些陶瓷材料，但它們往往成本高、質量參差不齊、容易水解或難以規模化生產。因此，如何克服高熱導和電絕緣之間的權衡，成為了熱管理材料領域的一個重要挑戰。
為了解決這一問題，研究者們致力于開發具有核殼結構的材料，通過在金屬球（高熱導）表面涂覆絕緣層（電絕緣），來實現熱導和電絕緣的雙重性能。然而，先前的研究主要集中在使用原位生長法制備小尺寸的核殼微球，并且對金屬和涂層材料的選擇有限。這些方法通常需要復雜的表面功能化處理，并且對金屬球的大小和形狀有限制，導致制備出的復合材料粘度高、填充量低、熱導率不高。此外，這些方法在實際應用中往往無法滿足大尺寸金屬球的涂層需求，因為大尺寸金屬球可以顯著降低熱邊界阻力、提高流動性，并在與小尺寸微球混合時形成熱傳導路徑。因此開發一種通用且有效的方法來涂覆不同尺寸金屬球，尤其是大尺寸球，對于實現高熱導應用具有重要意義。
正是在這樣的背景下，來自北京大學的研究團隊利用澤攸科技的SEM納米探針臺進行了深入研究，他們提出了一種基于Pechini方法的簡便制備工藝，用于制造核（金屬）/殼（金屬氧化物）結構的工程填料，例如氧化鋁和氧化鈹包覆的銀微球。這種方法與超快焦耳熱處理相結合，不僅適用于不同尺寸的核殼填料，尤其是大尺寸填料，而且相較于以往的原位生長方法，展現出更廣泛的適用性和更強的魯棒性。通過尺寸復合，所合成的核殼結構填充環氧樹脂復合材料展現出高各向同性熱導率（約3.8 W m?1 K?1），同時保持高電阻率（約10^12 Ω cm）和良好的流動性。這些特性使得該材料在散熱性能上超越了商業熱傳導封裝材料，并且成功地將可控的電性能賦予了熱傳導復合材料，滿足了新興電子封裝應用的需求。例如，在電路板和電池熱管理方面，這些核殼填料已經展示了其性能。該成果以“Core–Shell Engineered Fillers Overcome the Electrical-Thermal Conductance Trade-Off”為題發表在《ACS Nano》期刊上。
論文的主要研究內容集中在開發一種創新的Pechini方法，結合超快焦耳加熱處理，用于在高質量銀微球表面涂覆絕緣氧化物層（如Al?O?和BeO），以克服高熱導率材料通常伴隨高電導率的問題。傳統方法受限于特定金屬材料和涂層材料，且制備的核殼微球尺寸較小，導致復合材料的整體性能不佳。而該團隊提出的方法具有更高的通用性和魯棒性，適用于不同尺寸的核殼填料，尤其是大尺寸微球（1至100微米），從而顯著提升了復合材料的熱導率和電絕緣性能。
圖 核殼填料的合成與表征
研究首先通過對比傳統的原位生長方法，展示了Pechini方法在涂覆銀微球上的優勢。原位生長方法對金屬表面的功能化要求較高，難以應用于多種金屬材料，例如在銀微球上無法成功形成所需的氧化鋁涂層。而Pechini方法通過將銀粉、檸檬酸和金屬離子（如Al3?或Be2?）混合在水溶液中形成螯合物，并在乙二醇的幫助下交聯成凝膠，確保銀微球被完全包裹。隨后經過高溫煅燒和超快焦耳加熱處理，形成了致密的結晶金屬氧化物層。這種方法不僅適用于銀微球，還能夠擴展到其他金屬材料，展現出廣泛的適用性。
圖 在微觀和宏觀層面評估核殼填料
為了驗證涂覆層的均勻性和絕緣性能，研究人員進行了微觀和宏觀層面的詳細表征。通過SEM、EDS和XPS等手段，確認了氧化物層的成功涂覆及其純度。特別地，通過SEM納米探針臺進行的單球電氣測試表明，涂覆后的銀微球表現出顯著的絕緣特性，電阻比原始銀微球高出約6個數量級。此外，高溫處理后的核心-殼結構仍保持良好的流動性，證明了氧化物層對銀核心的緊密保護，即使在銀熔化的情況下也不會發生泄漏。
圖 球體尺寸分布對于單球和雙球填充系統的填充體積含量和熱導率的影響
進一步的研究探討了這些核殼填料在環氧復合材料中的應用。通過優化尺寸復合技術，將不同尺寸的銀@Al?O?微球與小尺寸Al?O?微球混合，顯著降低了復合材料的粘度，同時提高了熱導率。實驗結果顯示，優化后的環氧復合材料在94 wt%的填充量下，熱導率可達約3.8 W m?1 K?1，遠高于現有商業產品，并且保持了高電絕緣性能（約1012 Ω cm）。這種復合材料在實際應用中表現出優異的可靠性和散熱性能，例如在電路板和電池管理中，能夠有效降低溫度，提高設備的穩定性和壽命。該研究通過開發一種通用的Pechini方法，成功解決了高熱導率材料的電-熱導率權衡問題，為高性能熱管理材料的設計和應用提供了新的思路和技術途徑。
下圖為本研究成果中用到的澤攸科技SEM納米探針臺：
作者：澤攸科技