来源 | Composites Science and Technology

链接 | https://doi.org/10.1016/j.compscitech.2025.111420

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背景介绍

后摩尔时代，芯片采用 “堆叠架构”（如 2.5D/3D 封装、高带宽内存封装），推动先进电子封装材料需同时满足四大核心需求：电稳定性：高体积电阻率（避免堆叠结构漏电）；EMI 屏蔽：抑制高频信号串扰（传统依赖高导电性，易引发电可靠性风险）；热管理：高导热率（解决高功率芯片散热）；低热膨胀：低 CTE（减少与硅基板 / 芯片的热膨胀失配，降低翘曲）。随着电子封装进入高密度、高频率的新时代，传统的以高电导率为基础的电磁干扰屏蔽（EMI）方法面临着电气可靠性失效的严重风险。

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成果掠影

近期，华南理工大学吴为敬联合中国科学院大学万艳君、朱朋莉团队开发了一种集"电绝缘性、电磁干扰屏蔽与低热膨胀"于一体的FeNi@SiO₂/EP环氧基复合材料。通过液相反应调节前驱体浓度，制备出具有因瓦效应的二氧化硅包覆铁镍球形颗粒，并实现对包覆层厚度的精准调控。对SiO₂层的有效控制阻隔了复合材料中的电子传输，同时保留了磁网络结构与声子传导路径。FeNi@SiO₂/EP复合材料成功展现出高电绝缘性（电阻率超过10¹² Ω·cm）、优异电磁干扰屏蔽效能（约30 dB）及良好导热性能。其电磁屏蔽机制主要源于铁镍颗粒的局部涡流损耗、连续磁网络诱导的磁损耗，以及多相界面处的介电损耗。值得注意的是，铁镍颗粒的近零热膨胀特性使复合材料具有较低的热膨胀系数（7-8 ppm/°C）。这些创新成果有望显著推动电子器件向更高集成度与小型化方向发展，尤其在电绝缘型电磁干扰屏蔽材料领域具有重要应用价值。研究成果“Electrical insulation EMI shielding epoxy-based composites with low thermal expansion for advanced electronic packaging”为题发表在《Composites Science and Technology》。

03

图文导读

图1.“绝缘电磁屏蔽-负热膨胀”核壳型FeNi@SiO₂磁性粒子通过液相反应制备“电绝缘-电磁屏蔽-低热膨胀”环氧基复合材料的原理示意图及关键原理。

图2.（a）原始FeNi颗粒和（b）-（d）通过液相反应的一系列SiO₂修饰的FeNi的SEM图像。（e）FeNi@SiO₂核-壳颗粒的TEM图像。(f)SiO₂修饰的FeNi颗粒的IR光谱图像。（g）磁性FeNi和不同类型的FeNi@SiO₂颗粒的磁滞回线。插图显示饱和磁化强度值。（h）FeNi和FeNi@SiO₂颗粒的XRD图案。（i）FeNi和SiO₂修饰的FeNi颗粒的Fe 2 p和（j）Si 2 p XRD详细光谱。

图3.（a）-（d）用不同硅前体制备的FeNi/EP和FeNi@SiO₂/EP复合材料的SEM图像（1 mM，3 mM，通过聚焦离子束处理制备的（e）FeNi/EP和（f）FeNi@SiO₂/EP复合材料的SEM和EDS图像。壳磁性颗粒。（h）通过磁力显微镜（MFM）测量的样品中的连续磁性网络的示意图。（i，j）FeNi/EP和FeNi@SiO₂/EP复合物的MFM图像（j1-j 4），以及相应的AFM图像（i1-i4）。

图4.（a）体积电阻率（b，c）纯环氧树脂、FeNi/EP和FeNi@SiO₂/EP复合材料在X波段的EMI SE，以及相应的反射损耗（SER）、吸收损耗（SEA），和在12.4GHz下评估的总屏蔽效能（SET）。（d）示出FeNi@SiO₂/EP复合材料中的声子和电子输运的示意图。（e）FeNi@SiO₂/EP复合材料的EMI SE和体积电阻率的比较。SiO₂EP和其他报道的材料。详细信息见表S3。（f）红外热成像系统下的散热评估示意图。（g）一系列样品的红外热图像和（h）它们相应的中心温度变化。

图5.（a）不同剪切速率下未固化FeNi@SiO₂/EP的粘度。（B）环氧复合材料的储能模量和（c）Tan δ曲线。（d）加热过程中FeNi颗粒的负热膨胀效应示意图（e）环氧树脂，FeNi/ EP，玻璃化转变温度（Tg）之前和之后的FeNi@SiO₂/EP复合物。（f）在12英寸硅晶片上固化之后SiO₂/EP和FeNi@SiO₂/EP复合物之间的模拟翘曲差异。（对于这一图例中颜色的解释，读者可以参考本文的网络版本。）