中科院上海有机所AM：新型液晶聚合物显著提升聚丁二烯热导率

高分子科学前沿

2025-10-29 08:32发布于浙江

随着高频通信和人工智能技术的飞速发展，微电子器件正朝着高速信号传输、高集成度和微型化方向迈进。然而，这些进步也带来了串扰延迟、电阻电容效应和热量积累等严峻挑战。因此，理想的介电材料需具备低介电常数和低介电损耗以确保信号传输质量，同时拥有高导热性以有效散热并延长器件寿命。目前广泛使用的有机聚合物如环氧树脂、聚酰亚胺等虽介电性能优异，但其本征导热系数普遍低于0.2 W·m⁻¹·K⁻¹，限制了其在高温高功率环境下的应用。

近日，中国科学院上海有机化学研究所房强研究员、孙晶研究员提出了一种创新策略，通过引入液晶有序效应显著提升聚丁二烯的本征导热性能。研究团队设计了一种含三联苯和苯乙烯端基的液晶分子ST38，并将其在聚丁二烯中交联形成液晶聚合物ST38PB。该材料在保持低介电特性的同时，其导热系数达到0.62 W·m⁻¹·K⁻¹，是原始聚丁二烯的3.4倍，并在10 GHz高频下展现出优异的介电性能（D_k = 2.40，D_f = 3.3×10⁻³）。ST38PB在芯片散热和印刷电路板基板等领域展现出广阔的应用前景。相关论文以“Enhancing Thermal Conductivity in Low Dielectric Polybutadiene via a Liquid Crystal Ordering Effect”为题，发表在Advanced Materials上，本研究第一作者为石镕睿研究生，通讯作者为房强研究员，孙晶研究员。上海大学贾林副研究员为液晶结构的解析提供了支持。本研究得到了国家自然科学基金、中国科学院及上海市科委的支持。

研究首先通过示意图1展示了ST38与聚丁二烯复合的结构设计及其在微电子封装和高频电路板中的潜在应用。随后，图1详细描述了ST38PB薄膜的制备过程：将ST38与聚丁二烯混合后，通过刮涂技术与热固化处理形成均匀的复合薄膜。图2进一步揭示了ST38及其复合物的液晶行为：偏光显微镜图像显示ST38粉末在室温下具有明显的双折射纹理，X射线衍射图谱中出现的多个等间距衍射峰表明其形成了高度有序的层状结构，层间距为4.45 nm，属于液晶基元交叉排列的SmA_d相。差示扫描量热曲线中出现的S形吸热-放热转变表明在约150°C时发生了液晶相变与苯乙烯基团的热聚合反应，从而在高温下锁定液晶排列。

示意图1.液晶单体ST38与低介电聚丁二烯的结构示意图及其在微电子封装和高频印刷电路板中的潜在应用。

图1.ST38PB薄膜的制备流程图。

图2还展示了ST38在聚丁二烯基质中仍能保持层状排列，透射电镜图像中可见0.3–2.0 μm的片晶均匀分布。固化后的ST38PB薄膜中，小晶粒融合为更大的扇形液晶域，XRD显示层间距变为3.69 nm，说明分子排列从双分子插层转变为单分子平行层状结构。图3通过X射线显微镜三维重建和二维小角/广角X射线散射进一步证实了薄膜内部液晶域的面内平行排列，以及芳香介晶单元之间0.45 nm的π–π堆叠距离，显示出高度有序的层级结构。

图2. a) ST38在室温下的偏光显微镜图像；b) ST38粉末的XRD谱图；c) ST38与ST38PB预混物的DSC曲线；d) ST38PB预混物在室温下的偏光显微镜图像；e) ST38PB预混物的XRD谱图；f) 预混物中ST38颗粒的透射电镜图像；g) ST38PB薄膜在室温下的偏光显微镜图像；h) ST38PB薄膜的XRD谱图；i) ST38PB预混物在不同温度下的XRD谱图。

示意图2.ST38与ST38PB薄膜中分子排列的示意图。

图3.a) ST38PB薄膜的三维结构重建图像；b) ST38PB薄膜截面的三维结构重建图像；c) ST38PB薄膜表面与截面方向的示意图；d) 薄膜表面的二维小角X射线散射图像；e) 薄膜截面的二维小角X射线散射图像；f) 薄膜表面的二维广角X射线散射图像；g) 薄膜截面的二维广角X射线散射图像；h) 薄膜表面二维小角散射的一维积分曲线；i) 薄膜截面二维小角散射子午线方向的一维积分曲线；j) 薄膜表面二维广角散射的一维积分曲线；k) 薄膜截面二维广角散射子午线方向的一维积分曲线。

在热性能方面，图4a比较了ST38PB与纯聚丁二烯薄膜的面内导热系数，前者达到0.62 W·m⁻¹·K⁻¹，远高于后者的0.18 W·m⁻¹·K⁻¹。随着温度升高，其导热性能进一步提升，在110°C时可达0.94 W·m⁻¹·K⁻¹，这归因于液晶域中声子传输路径的优化。图4d展示了ST38PB作为芯片散热材料的实际效果：在60°C加热条件下，覆盖ST38PB的芯片表面温度明显低于未覆盖或仅覆盖PB的芯片，验证了其优异的散热能力。

图4.a) ST38PB与PB薄膜的面内导热系数对比；b) ST38PB薄膜在不同温度下的面内导热系数；c) ST38PB薄膜中声子传导路径示意图；d) 裸芯片、PB覆盖芯片与ST38PB覆盖芯片的红外热成像图（加热至60°C并持续120秒）。

电性能与耐水性测试结果如图5所示：ST38PB薄膜在10 GHz下具有低介电常数（2.40）和低介电损耗（3.3×10⁻³），体积电阻率超过10¹⁵ Ω·cm，击穿电压达76.6 kV/mm。其表面水接触角为102.6°，吸水率仅0.42%，表现出优异的疏水性和湿态稳定性。图6则系统评估了材料的热稳定性和力学性能：ST38PB的5%热失重温度高达402°C，存储模量为1101 MPa，断裂伸长率为4.37%，拉伸强度为25.5 MPa，显示出良好的综合性能。此外，研究还成功将ST38PB与玻璃纤维复合制成双面覆铜板，并通过光刻工艺制备出柔性电路板，其导热系数在复合后进一步提升至1.12 W·m⁻¹·K⁻¹，展现了其在高频电路基板中的应用潜力。

图5.a) ST38PB薄膜浸水前后介电性能对比；b) ST38PB薄膜表面水滴图像；c) ST38PB薄膜与已报道材料在介电常数与导热性能方面的对比。

图6. a) ST38PB薄膜的热重分析曲线；b) ST38PB薄膜的热膨胀系数曲线；c) ST38PB薄膜的应力-应变曲线；d) ST38PB薄膜的力-位移曲线；e) CCL-ST38PB覆铜板与光刻制备的双面柔性电路板示意图。

综上所述，本研究通过分子设计成功开发出具有高热导率、低介电常数和优异稳定性的液晶聚合物ST38PB，为高频微电子器件的热管理提供了新材料解决方案。该策略不仅适用于聚丁二烯体系，还可推广至其他烃类聚合物，为未来高温高频电子设备的发展开辟了新路径。