基于環氧樹脂的底部填充（Underfill）工藝是當前的主要封裝技術，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力、為芯片提供物理保護的作用，是確保封裝體系可靠性的關鍵。近年來，集成電路芯片的高集成化導致其熱功率密度急劇升高，有效散熱成為保證電子設備穩定性和可靠性的重要因素。理想的高性能Underfill材料應具備以下性能：低黏度（ 20 Pa·s，25 ℃）、合適的熱膨脹系數（25-30 ppm/℃）、高電絕緣性（體積電阻> 1012 Ω·cm）、高導熱性能（ 1 W·m-1·K-1）以及良好的熱穩定性（Tg 125 ℃）與介電性能等。然而，環氧樹脂的低導熱性限制了高性能Underfill材料的發展。盡管已有大量關于提高環氧樹脂基復合材料導熱性能的研究工作，但其設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。設計、制備能同時滿足Underfill材料所需綜合性能的環氧樹脂基復合材料存在性能間的博弈、需要取得平衡，實現Underfill材料加工流動性、導熱性、絕緣性、熱性能、介電性能等結構功能的一體化設計是電子封裝材料領域的重要科學問題。

近期，華中科技大學解孝林教授團隊與澳大利亞悉尼大學米耀榮院士團隊合作以“Advances on thermal conductivity epoxy-based composites as electronic packaging underfill materials - A review”為題在《Advanced Materials》上發表了綜述，介紹了現階段改善Underfill分散體系粘度、提高Underfill材料熱導率的策略，討論了這些策略的應用對Underfill用環氧樹脂基復合材料綜合性能的影響，指出了該領域所面臨的機遇和挑戰，為實現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；（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合體系的加工流動性。解孝林團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系，研究結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，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氧樹脂中的分散性，降低復合體系的加工黏度。

【提高Underfill用環氧樹脂基復合材料的熱導率】

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

此外，通過對導熱填料進行共價修飾，可強化填料與聚合物的界面相互作用，降低界面熱阻、提高復合材料熱導率。通過對填料的合理設計，如：優化填料尺寸和形貌、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，可構筑高效的導熱通路，也能提高復合材料熱導率。

【Underfill用環氧樹脂基復合材料的綜合性能】

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

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

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

【總結與展望】

設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熱性能，還需考慮其加工黏度、熱膨脹系數、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。此外，制造成本以及是否易于規模化生產也是Underfill材料在實際應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熱型環氧樹脂基Underfill材料做出總結和展望：

（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合材料熱導率、熱膨脹系數的重要因素，選擇合適雜化或級配體系值得進一步探索。

（2）構建核-殼結構可實現高導熱填料的電絕緣化，其復合材料兼具良好的導熱性能和電絕緣性，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，還能提高復合材料熱導率、降低熱膨脹系數、增強阻燃性或改善介電性能，不恰當的表面修飾則會導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，實現高導熱填料的低成本化和規模化生產尚需學術界和產業界的共同努力。已實現商業化的氧化鋁、氮化硼、氮化鋁等微米填料成本相對低廉，其環氧樹脂復合材料在電子封裝材料上具有廣闊的應用前景。其中，環氧樹脂/二元氧化鋁微球復合材料是極具潛力的導熱型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，但目前相關工作較少、有待進一步探索。

（6）環氧樹脂自身的性能也是決定其Underfill材料性能的重要因素，通過對環氧樹脂進行分子設計或基團改性，能夠其增強導熱性能、降低黏度、改善尺寸穩定性、提高阻燃性能、改善介電性能或賦予自修復特性，相關研究值得進一步探索。

（7）發展和應用多尺度分析模型和/或計算機模擬技術，將有助于理解Underfill材料結構與性能間的關系。