Dielectric polymer-based nanocomposites with enhanced thermal conductivity: formulation, characterization and Aerosol Jet Printing

Recent technological advancements in high-frequency microelectronics have progressed exponentially over the past decades, posing new challenges. In this context, materials with low dielectric constant (k) have become essential to satisfy the demand for low delay times. Although significant efforts have been made in recent years to develop low-k polymers, these materials must also meet the requirements of improved heat dissipation, thermal stability, reliability, and high processability. In this study, polymer-based nanocomposites with benzocyclobutadiene (BCB) and boron nitride nanosheets (BNNS) as fillers are designed and processed by Aerosol Jet Printing (AJP), an additive manufacturing (AM) technology, with applications in electronics. After optimizing the rheological properties, nanocomposites with filler content up to 20 wt% were printed using AJP. The effect of printing parameters was systematically studied using various methodologies, including the design of experiment (DOE) approach, which allowed for high-quality prints and the fabrication of complex patterns with a resolution of 45 μm, demonstrating the practical applicability of AJP. The variation in properties related to the incorporation of BNNS was investigated. Low permittivity (2.3-2.6) and dielectric loss (1.5 x 10^{-3}) were measured using impedance spectroscopy. Density measurements, as well as specific heat capacity and thermal diffusivity measurements, allowed the calculation of thermal conductivity. Thermal conductivity was found to be enhanced by 232%, consistent with theoretical predictions, comparing the plain polymer, with a value of 0.29 W/mK, and the nanocomposite with 20 wt% BNNS, reaching 0.69 W/mK. Furthermore, thermogravimetric analysis demonstrated high thermal stability, with degradation temperatures above 440°C. The excellent dielectric and thermal properties of the designed nanocomposites, combined with the successful processing by AJP with optimized printing parameters to achieve high-quality complex patterns, suggest their potential use in the microelectronics industry with applications as advanced low dielectric constant components.

I recenti progressi tecnologici nella microelettronica ad alta frequenza sono avanzati esponenzialmente negli ultimi decenni, ponendo nuove sfide tecniche. In questo contesto, i materiali con bassa costante dielettrica (k) sono diventati essenziali per soddisfare la richiesta di tempi di ritardo ridotti. Sebbene negli ultimi anni siano stati compiuti notevoli sforzi per sviluppare polimeri a bassa k, questi materiali devono anche soddisfare requisiti di migliorata dissipazione termica, stabilità termica, affidabilità e alta processabilità. In questo studio, i nanocompositi polimerici con benzociclobutadiene (BCB) e nanofogli di nitruro di boro (BNNS) sono stati formulati e processati mediante Aerosol Jet Printing (AJP), una tecnologia di manifattura additiva (AM) per applicazioni nell'elettronica. A seguito dell’ottimizzazione delle proprietà reologiche, i nanocompositi, con BNNS fino al 20% in peso, sono stati stampati utilizzando AJP. L'effetto dei parametri di stampa è stato studiato sistematicamente utilizzando varie metodologie, tra cui il design of experiment (DOE), che ha permesso di ottenere stampe di alta qualità e la fabbricazione di pattern complessi con una risoluzione di 45 μm, dimostrando l'applicabilità pratica dell’AJP. Bassi valori di permittività (2.3-2.6) e fattore di dissipazione (1.5 x 10^{-3}) sono stati misurati utilizzando la spettroscopia a impedenza. Le misurazioni di densità, calore specifico e diffusività termica, hanno permesso il calcolo della conducibilità termica. È stato riscontrato un miglioramento della conducibilità termica del 232%, in linea con le previsioni teoriche, confrontando il polimero puro, con un valore di 0.29 W/mK, e il nanocomposito con il 20% in peso di BNNS, che ha raggiunto un valore di 0.69 W/mK. Inoltre, l'analisi termogravimetrica ha dimostrato un'elevata stabilità termica, con temperature di degradazione superiori a 440°C. Le eccellenti proprietà dielettriche e termiche dei nanocompositi progettati, combinate con l’elevata processabilità mediante AJP con parametri di stampa ottimizzati per ottenere pattern complessi di alta qualità, suggeriscono il loro potenziale utilizzo nell'industria della microelettronica con applicazioni come componenti avanzati a bassa costante dielettrica.