北京化工大學張好斌教授AM：機器學習聯合仿真技術突破絕緣電磁屏蔽材料研發瓶頸

隨著電子設備向高密度、微型化方向快速發展，高性能絕緣電磁干擾（EMI）屏蔽復合材料成為實現電子元件直接封裝、避免短路風險的關鍵材料。然而，絕緣性與電磁屏蔽能力之間存在理論上的矛盾：絕緣材料難以形成有效的電磁波耗散路徑，而傳統導電填料又易導致電路短路。盡管近年研究提出通過“微電容器”結構在絕緣體系中實現電磁屏蔽的新機制，但由于微電容結構復雜、影響參數多，傳統試錯式實驗方法效率低下，難以系統優化其屏蔽性能，嚴重制約了該類材料的設計與應用進程。

近期，北京化工大學張好斌教授、中科院寧波材料所沈斌研究員合作通過融合機器學習與有限元仿真，首次揭示了填料均勻性對提升絕緣復合材料電磁屏蔽性能的關鍵作用，并在此基礎上開發出具有優異綜合性能的絕緣EMI屏蔽復合材料。該研究通過建立高精度機器學習模型，系統解析了微電容結構參數與屏蔽效能之間的復雜關系，指導采用微流控技術制備出尺寸均勻的鎵顆粒填料。所制得的復合材料在保持高電阻率（1.7×1012 Ω·m）的同時，實現了卓越的電磁屏蔽效能（Ka波段 >90 dB）與導熱性能（3.7 W·m?1·K?1），并具備寬溫域（-196–200°C）穩定性，為高密度電子封裝提供了集成化解決方案。相關論文以“Machine Learning-Accelerated Discovery of High-Performance Insulating Electromagnetic Interference Shielding Composites for Integrated Electronics”為題，發表在

Advanced Materials

機器學習數據庫的構建與優化

研究團隊首先以銅顆粒為導電填料、Ecoflex為絕緣基質，構建了一系列絕緣復合材料樣本，系統測量其電磁屏蔽效能，并以此為基礎數據集訓練了多種機器學習模型。結果表明，人工神經網絡模型在預測屏蔽性能方面表現最佳，其均方誤差與平均相對誤差最低，能夠準確捕捉結構參數與屏蔽效能之間的非線性關系。通過該模型，團隊生成了包含約7萬組數據的高可靠性數據庫，并通過實驗驗證了數據的準確性，為后續結構分析與性能優化奠定了堅實基礎。

圖1. 建立可靠的機器學習數據庫以揭示參數與性能關聯。 a) 構建ML預測模型的工作流程。 b) 不同ML預測模型的MSE與MRE值比較。 c) ML預測模型所用數據庫示意圖。 d) 實驗測得與模型預測的EMI SE值對比。

填料均勻性的關鍵作用揭示

借助SHAP分析與有限元仿真，研究系統探討了填料含量、樣品厚度、填料尺寸及其均勻性對屏蔽性能的影響。研究發現，盡管增加填料含量、厚度和尺寸均能提升屏蔽效能，但其增益效果隨參數增大而遞減。進一步分析表明，填料尺寸分布不均勻是限制性能提升的主要因素：非均勻填料體系中小尺寸顆粒會制約微電容中的感應電流密度，導致整體屏蔽性能提升有限。仿真結果直觀顯示，均勻填料體系中的感應電流強度顯著高于非均勻體系，且在相同填料含量與厚度下，均勻填料能更有效地衰減電磁波傳輸。

圖2. 結構參數與復合材料屏蔽性能之間的內在關聯。 a) 特征重要性的SHAP值圖。 b) 含90 wt%不同直徑導電顆粒的復合材料在不同厚度下的EMI SE值。 c) 含500 μm導電顆粒的復合材料在不同含量與厚度下的EMI SE值。 d) 在500 μm粒徑下，不同含量復合材料的GF隨厚度變化曲線。 e) 在3 mm厚度下，不同粒徑復合材料的GF隨含量變化曲線。 f) 在3 mm厚度下，不同含量復合材料的GF隨粒徑（1–50 μm）變化曲線。 g) 均勻與非均勻填料復合材料中感應電流的有限元仿真。 h) 增加填料含量時，均勻與非均勻顆粒填充復合材料中感應電流的變化。 i) 增加填料含量與厚度時，均勻與非均勻顆粒填充復合材料中模擬電場強度的變化。 j) 不同顆粒直徑下的電流密度分布有限元仿真。 k) 通過集成ML與有限元仿真獲得的髙性能絕緣EMI屏蔽復合材料設計準則。

臨界尺寸效應與微流控制備均勻填料

研究還觀察到填料尺寸對屏蔽性能的影響存在臨界值（約20 μm）：低于該尺寸時，電磁波可激發整個顆粒內的電荷振蕩，屏蔽效能隨尺寸增大迅速提升；超過臨界尺寸后，集膚效應導致電流集中于顆粒表層，內部電荷難以參與振蕩，性能提升減緩。為指導均勻填料的制備，團隊采用微流控技術，通過調節流動速率比、通道尺寸與黏度比，成功實現了單分散鎵顆粒的高通量、可控制備，其粒徑變異系數僅為2–7%，顯著優于傳統超聲破碎或機械剪切方法。使用該均勻填料制備的復合材料，其屏蔽性能明顯優于非均勻填料體系。

圖3. 通過液滴微流控制備尺寸可控的均勻鎵顆粒。 a) T型微流控系統中分散相體積分布的模擬及其受力示意圖。 b) 不同T型接頭直徑下，鎵顆粒直徑隨流動速率比的變化。 c) 不同黏度比下，鎵顆粒直徑隨流動速率比的變化。 d) 在T型接頭直徑0.5 mm、黏度比40條件下，流動速率比為3.2（上）和25.2（下）時鎵顆粒的光學顯微鏡圖像。 e) 在流動速率比50、黏度比40條件下，T型接頭直徑為0.25 mm（上）和0.15 mm（下）時鎵顆粒的光學顯微鏡圖像。 f) 在T型接頭直徑0.25 mm、流動速率比42條件下，黏度比為70（上）和110（下）時鎵顆粒的光學顯微鏡圖像。 g) 固體鎵顆粒（650 μm）的宏觀照片。 h) 不同方法制備的鎵顆粒粒徑分布對比。 i) 采用機械剪切法與微流控法制備的鎵顆粒填充復合材料的EMI屏蔽性能對比。

高性能復合材料性能驗證與應用展示

基于上述設計準則，團隊制備了以均勻鎵顆粒為填料的絕緣復合材料（GaPC-650）。該材料在X波段與Ka波段均表現出優異的屏蔽效能，最高可達90 dB以上，同時保持高絕緣性與導熱性。微觀結構表征證實，鎵顆粒在聚合物基質中均勻分布且彼此隔離，形成有效的微電容結構。在應用層面，該材料可直接灌封高密度電子元件，實現優異的近場電磁屏蔽與散熱功能。實驗顯示，其能夠顯著降低元件間電磁泄漏，并在LED芯片散熱測試中有效降低工作溫度，延長器件壽命。材料在極端高低溫循環、濕熱環境及機械彎曲等苛刻條件下仍保持性能穩定，展現出良好的工程應用潛力。

圖4. 高性能絕緣、電磁屏蔽與導熱復合材料的有目標設計與性能。 a) 集成機器學習與有限元仿真加速發現高性能絕緣EMI屏蔽復合材料及其在電子封裝中應用的示意圖。 b) 填充不同直徑（450–750 μm）與含量（75–90 wt%）的均勻與非均勻鎵顆粒復合材料在2 mm厚度下的EMI屏蔽性能。 c) GaPC-650（90 wt%）在2 mm（黑線）與8 mm（紅線）厚度下于8.2–40 GHz頻段的屏蔽性能。 d) 通過微CT重建的GaPC-650中鎵顆粒分布。 e) 與各類材料EMI SE性能的對比。 f) 與各類材料導熱性能的對比。

圖5. 直接灌封電子器件以應對電磁兼容性與過熱問題。 a) 集成電子中的電磁兼容與熱積累問題示意圖。 b) 傳統封裝方法與采用GaPC-650直接灌封以解決信號串擾與熱積累的對比。 c) 未填充與填充GaPC-650的縫隙對電磁波透射率的影響。 d) GaPC-650在20 GHz下的近場屏蔽效能二維分布圖。 e) GaPC-650在8–20 GHz頻率范圍內的平均近場屏蔽性能。 f) 覆蓋屏蔽材料前后輻射源輻射強度的對比。 g) Ecoflex、GaPC-200與GaPC-650在加熱過程中表面溫度變化。 h) 使用Ecoflex與GaPC-650作為熱界面材料時LED芯片的溫度-時間曲線與紅外圖像。 i) GaPC-650在極端溫度、熱沖擊、彎曲、振動及濕熱環境下長時間暴露后的EMI SE與芯片表面溫度變化。

總結與展望

該研究通過集成機器學習與多尺度仿真，建立了從微觀結構到宏觀性能的理性設計框架，揭示了填料均勻性在絕緣電磁屏蔽復合材料中的關鍵作用，為高性能電子封裝材料的發展提供了新思路。未來，通過進一步引入聚合物基體電學性質、填料磁性等因素，有望拓展絕緣屏蔽材料的工作頻寬，并結合可加工性、力學性能等工程化指標，推動該類材料在下一代集成電子系統中的實際應用。