原位生成银纳米颗粒修饰氮化硼纳米片协同硅烷改性构建高性能环氧纳米复合材料用于先进封装应用

本文创新性地采用原位热还原法在氮化硼纳米片（BNNS）表面沉积银纳米颗粒（AgNPs），并通过3-巯丙基三乙氧基硅烷（MPTS）双重修饰策略，显著降低了填料-填料与填料-基体间的界面热阻（ITR）。所制备的环氧纳米复合材料在30 wt.%填料负载下实现1.64 W·(m·K)-1的热导率（较纯环氧提升811.1%），同时保持优异电绝缘性（电阻率>1011 Ω·cm），为2.5D/3D电子封装提供了理想的界面热管理材料（TIMs）。

　　

2.1 BNNS-AgNPs@MPTS填料的表征

通过无溶剂热还原法在氮化硼纳米片（BNNS）表面原位生成银纳米颗粒（AgNPs），透射电镜（TEM）显示AgNPs（20-50 nm）与BNNS形成固相连接，X射线衍射（XRD）证实Ag（111）晶面间距为0.23 nm。经3-巯丙基三乙氧基硅烷（MPTS）修饰后，X射线光电子能谱（XPS）检测到S 2p（163.1 eV）和Ag 3d（368.6 eV）的结合能位移，证实MPTS通过硫醇-银键锚定在AgNPs表面。密度泛函理论（DFT）计算表明Ag原子在BNNS桥位点的吸附能最低（-0.230 eV），分子动力学模拟再现了AgNPs在400°C下的烧结行为。

2.2 环氧纳米复合材料的热导率机制

填料负载量30 wt.%时，EP/BNNS-AgNPs@MPTS的热导率达1.64 W·(m·K)^-1，较纯环氧提升811.1%。AgNPs通过烧结效应连接相邻BNNS，降低填料间界面热阻；MPTS的硅氧烷端与环氧基团共价结合，使填料-基体界面热阻降低18.5%（6.07×10^-8 m²·K·W^-1）。有效介质理论（EMT）模型揭示双重修饰策略使热导率增强效率（η）提升至27.6%。

2.3 热机械与电学性能

动态机械分析（DMA）显示30 wt.%复合材料的储能模量提升73%，玻璃化转变温度（T_g）升至174°C。MPTS修饰使30 wt.%复合材料的电阻率保持在10¹¹ Ω·cm量级（100V下），介电常数稳定在3.5-5.7。AgNPs表面的MPTS绝缘层抑制了电子隧穿效应，解决了高银含量导致的电导率上升问题。

2.4 TIMs应用的热仿真验证

有限元分析显示，30 wt.%复合材料作为热界面材料（TIMs）可使芯片结温降低71%（209→61°C），界面热阻降至2°C·W^-1。热-力耦合仿真表明其最大等效应力（12.28 MPa）较纯环氧降低72%，界面剪切应力范围（-2.87~0.83 MPa）更优，显著缓解因热膨胀系数（CTE）失配（43.9 ppm·°C^-1）引发的分层风险。

3 结论

该研究通过AgNPs桥接BNNS与MPTS界面偶联的协同策略，同步攻克了高导热与高绝缘的兼容性难题。所开发的环氧纳米复合材料在2.5D/3D封装、功率电子器件等领域展现出重要应用价值。

4 实验方法

采用球磨-超声剥离法制备BNNS（厚度20-30 nm），银硝酸盐与BNNS以1:10质量比在400°C氮气中热还原2小时。MPTS修饰采用pH=4的乙醇水解体系，通过真空过滤获得功能化填料。环氧预聚物（EPON 828）与固化剂（HMPA）按1:0.9混合，经三步固化工艺（120°C/1h→160°C/2h→200°C/1h）成型。热扩散系数通过激光闪射法（LFA）测定，介电性能采用ITO-铝电极电容器结构表征。