基于環(huán)氧樹脂的底部填充（Underfill）工藝是當(dāng)前的主要封裝技術(shù)，其中Underfill材料用于填充倒裝芯片（Flip chip）與印制電路基板（PCB）之間的空隙（間距 100 μm），在封裝體系中主要起到分散焊點熱應(yīng)力、為芯片提供物理保護(hù)的作用，是確保封裝體系可靠性的關(guān)鍵。近年來，集成電路芯片的高集成化導(dǎo)致其熱功率密度急劇升高，有效散熱成為保證電子設(shè)備穩(wěn)定性和可靠性的重要因素。理想的高性能Underfill材料應(yīng)具備以下性能：低黏度（ 20 Pa·s，25 ℃）、合適的熱膨脹系數(shù)（25-30 ppm/℃）、高電絕緣性（體積電阻> 1012 Ω·cm）、高導(dǎo)熱性能（ 1 W·m-1·K-1）以及良好的熱穩(wěn)定性（Tg 125 ℃）與介電性能等。然而，環(huán)氧樹脂的低導(dǎo)熱性限制了高性能Underfill材料的發(fā)展。盡管已有大量關(guān)于提高環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料導(dǎo)熱性能的研究工作，但其設(shè)計策略鮮有考慮對體系流動性、電絕緣性、熱性能、介電性能等性能的綜合影響。設(shè)計、制備能同時滿足Underfill材料所需綜合性能的環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料存在性能間的博弈、需要取得平衡，實現(xiàn)Underfill材料加工流動性、導(dǎo)熱性、絕緣性、熱性能、介電性能等結(jié)構(gòu)功能的一體化設(shè)計是電子封裝材料領(lǐng)域的重要科學(xué)問題。

近期，華中科技大學(xué)解孝林教授團(tuán)隊與澳大利亞悉尼大學(xué)米耀榮院士團(tuán)隊合作以“Advances on thermal conductivity epoxy-based composites as electronic packaging underfill materials - A review”為題在《Advanced Materials》上發(fā)表了綜述，介紹了現(xiàn)階段改善Underfill分散體系粘度、提高Underfill材料熱導(dǎo)率的策略，討論了這些策略的應(yīng)用對Underfill用環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料綜合性能的影響，指出了該領(lǐng)域所面臨的機遇和挑戰(zhàn)，為實現(xiàn)底部填充電子封裝材料的高性能化、多功能化和低成本化提供了新思路和新角度。

【改善Underfill用環(huán)氧樹脂分散體系的流動性】

填料的含量、形狀和粒徑分布的影響：（1）填充相同粒子，分散體系黏度與填充量正相關(guān)；（2）在相同填料含量下，球形粒子分散體系的黏度低于非球形粒子；（3）將小尺寸粒子與大尺寸粒子級配，可提高填充體系的理論最大堆積密度，因此在相同的填充量時，可降低填料的擁擠程度，有利于改善高填充復(fù)合體系的加工流動性。解孝林團(tuán)隊研究了二元球形粒子的理論堆積密度與粒徑比、小粒徑填料體積占比的關(guān)系，研究結(jié)果表明在最大堆積密度配比附近，二元氧化鋁微球分散體系黏度最低。

填料的表面修飾：在納米填料表面修飾合適的官能團(tuán)，能夠改善填料-基體的界面相互作用及其分散性，改善分散體系的加工黏度。解孝林團(tuán)隊在碳納米管表面接枝具有柔性長鏈的有機分子，利用長鏈分子的隔離作用及良好的流動性使填料類流體化，改善了碳納米管在環(huán)氧樹脂中的分散性，降低復(fù)合體系的加工黏度。

【提高Underfill用環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料的熱導(dǎo)率】

為解決碳納米管、銀納米線等高導(dǎo)熱填料在環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料中的電絕緣性不足問題，解孝林團(tuán)隊采用無機氧化物（如二氧化硅、二氧化鈦）或有機聚合物（如聚氨酯）等進(jìn)行表面包覆，實現(xiàn)導(dǎo)熱填料的電絕緣化。在碳納米管或銀納米線等表面包覆二氧化硅，不僅賦予導(dǎo)熱填料良好的電絕緣性，還能緩解導(dǎo)熱填料與聚合物基體之間的模量失配，促進(jìn)界面聲子共振耦合，顯著提升復(fù)合材料的導(dǎo)熱性能，解決高導(dǎo)熱與電絕緣之間的矛盾。

此外，通過對導(dǎo)熱填料進(jìn)行共價修飾，可強化填料與聚合物的界面相互作用，降低界面熱阻、提高復(fù)合材料熱導(dǎo)率。通過對填料的合理設(shè)計，如：優(yōu)化填料尺寸和形貌、改善填料分散性、選用多元雜化填料、降低填料間的接觸熱阻，可構(gòu)筑高效的導(dǎo)熱通路，也能提高復(fù)合材料熱導(dǎo)率。

【Underfill用環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料的綜合性能】

基于現(xiàn)階段的降低黏度、提高熱導(dǎo)率策略，作者選取了六類具有代表性的環(huán)氧樹脂基Underfill材料，從熱導(dǎo)率、黏度、電阻率、熱膨脹系數(shù)、玻璃化溫度以及相對成本角度比較了其綜合性能（圖1），并強調(diào)了其中幾種具有代表性的設(shè)計策略（圖2）。

圖1 Underfill用環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料的綜合性能：環(huán)氧樹脂/二氧化硅微球復(fù)合材料（#1）、環(huán)氧樹脂/氧化鋁微球/氮化硼微片復(fù)合材料（#2）、環(huán)氧樹脂/二元氧化鋁微球復(fù)合材料（#3）、環(huán)氧樹脂/二氧化硅包覆銀納米線復(fù)合材料（#4）、環(huán)氧樹脂/氧化鋁包覆金屬鋁微球復(fù)合材料（#5）、環(huán)氧樹脂/銀納米線/氧化鋁微球復(fù)合材料（#6）

圖2 Underfill用環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料的填料設(shè)計策略：（a）高填充二元球形微米粒子，（b）高導(dǎo)熱、電絕緣納米填料，（c）納米-微米雜化填料

【總結(jié)與展望】

設(shè)計滿足高集成度電子封裝體系散熱需求的Underfill材料不僅需要考慮材料導(dǎo)熱性能，還需考慮其加工黏度、熱膨脹系數(shù)、電絕緣性、玻璃化溫度、機械性能以及介電性能等，制備兼具上述綜合性能的Underfill材料充滿挑戰(zhàn)。此外，制造成本以及是否易于規(guī)模化生產(chǎn)也是Underfill材料在實際應(yīng)用前需要考慮的問題。基于此，作者從高性能化、多功能化和低成本化角度對導(dǎo)熱型環(huán)氧樹脂基Underfill材料做出總結(jié)和展望：

（1）填料的形貌、尺寸、粒徑分布是影響其分散體系黏度及其復(fù)合材料熱導(dǎo)率、熱膨脹系數(shù)的重要因素，選擇合適雜化或級配體系值得進(jìn)一步探索。

（2）構(gòu)建核-殼結(jié)構(gòu)可實現(xiàn)高導(dǎo)熱填料的電絕緣化，其復(fù)合材料兼具良好的導(dǎo)熱性能和電絕緣性，但包覆改性會提高體系黏度，這類材料的高昂成本也限制了其應(yīng)用。

（3）合適的填料表面修飾不但能夠改善分散體系流動性，還能提高復(fù)合材料熱導(dǎo)率、降低熱膨脹系數(shù)、增強阻燃性或改善介電性能，不恰當(dāng)?shù)谋砻嫘揎梽t會導(dǎo)致材料部分性能的衰減。因此，表面修飾對Underfill材料綜合性能的影響值得深入研究。

（4）目前，實現(xiàn)高導(dǎo)熱填料的低成本化和規(guī)模化生產(chǎn)尚需學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的共同努力。已實現(xiàn)商業(yè)化的氧化鋁、氮化硼、氮化鋁等微米填料成本相對低廉，其環(huán)氧樹脂復(fù)合材料在電子封裝材料上具有廣闊的應(yīng)用前景。其中，環(huán)氧樹脂/二元氧化鋁微球復(fù)合材料是極具潛力的導(dǎo)熱型Underfill材料。

（5）高性能Underfill材料還需具備良好的阻燃性能、介電性能，但目前相關(guān)工作較少、有待進(jìn)一步探索。

（6）環(huán)氧樹脂自身的性能也是決定其Underfill材料性能的重要因素，通過對環(huán)氧樹脂進(jìn)行分子設(shè)計或基團(tuán)改性，能夠其增強導(dǎo)熱性能、降低黏度、改善尺寸穩(wěn)定性、提高阻燃性能、改善介電性能或賦予自修復(fù)特性，相關(guān)研究值得進(jìn)一步探索。

（7）發(fā)展和應(yīng)用多尺度分析模型和/或計算機模擬技術(shù)，將有助于理解Underfill材料結(jié)構(gòu)與性能間的關(guān)系。