聚合物納米電介質(zhì)材料研究進(jìn)展及其在埋入式無源元件中的應(yīng)用概述
1 引 言
以電極化方式記錄或傳遞電信號(hào)的聚合物納米電介質(zhì)材料在儲(chǔ)能、通訊、電氣及高密度電子封裝等領(lǐng)域都具有重要的應(yīng)用。這類材料通常是由不同功能的無機(jī)納米填料均勻地分散到聚合物基體中而形成復(fù)合體系。它集成了復(fù)合體系內(nèi)部各種組分的優(yōu)點(diǎn)，特別是由于納米填料所具有的大比表面積和高表面活性而表現(xiàn)出來的表面效應(yīng)、尺寸效應(yīng)、宏觀量子隧道效應(yīng)等物理特性，使得聚合物復(fù)合材料表現(xiàn)出不同于一般傳統(tǒng)聚合物材料所具有的新穎特性，甚至?xí)a(chǎn)生新的復(fù)合效應(yīng)。以往的研究主要集中在聚合物復(fù)合材料的力學(xué)特性上。近幾年來，由于電子設(shè)備小型化及多功能化的發(fā)展要求，板載無源元件(電阻、電容和電感)的需求量越來越大，已經(jīng)成為制約電子設(shè)備小型化的一個(gè)關(guān)鍵因素。如在典型的裝配中，作為電子電路基本要素且價(jià)格比不足 3%的無源元件占據(jù)了電路板 40% 以上的空間，其中電容占無源元件數(shù)量的 60%。因此，如何在有限的基板面積上提高無源元件的板載量，最大化地提高無源元件的集成度，并改善電子系統(tǒng)的電磁干擾特性已經(jīng)成為當(dāng)前高速、高密度封裝領(lǐng)域的一個(gè)非常重要的研究課題。三維封裝技術(shù)為解決基板的面積問題提供了新的思路。如圖 1 所示，將大量的無源元件，尤其是電容，埋入基板內(nèi)部不但可以解決基板的面積問題，而且有利于改善電子系統(tǒng)抗電磁干擾的能力。在這種背景下，以聚合物納米電介質(zhì)材料為基礎(chǔ)的嵌入式或埋入式電容器及其相關(guān)的應(yīng)用技術(shù)研究受到了前所未有的重視。
2 納米聚合物復(fù)合電介質(zhì)材料
2.1 陶瓷聚合物復(fù)合材料
對(duì)于聚合物基電介質(zhì)材料，填料的性能往往直接影響復(fù)合材料的性能。因此為了獲得優(yōu)異的介電特性，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)諸如鉛系[4]和鋇系(BaTiO3[5]、Ba1-xSrxTiO3[6])之類的鐵電陶瓷進(jìn)行了廣泛而深入的研究。常溫下，這類陶瓷材料具有相對(duì)較高的介電常數(shù)(103)和擊穿電壓以及較低的介電損耗(<0.05)。鉛系陶瓷由于環(huán)保的需求而逐漸被淘汰。鋇系陶瓷中又以對(duì)納米 BaTiO3-聚合物復(fù)合材料的研究最多，這主要是由于納米 BaTiO3陶瓷工藝和技術(shù)的發(fā)展以及BaTiO3陶瓷出色的介電特性。目前納米 BaTiO3-epoxy 埋入式電容器材料[7]已經(jīng)成功產(chǎn)品化并應(yīng)用于部分電子產(chǎn)品中，但其介電常數(shù)仍然很低，電容密度值很小(一般為 1 nF/cm2)，這大大限制了 BaTiO3-環(huán)氧復(fù)合材料在埋入式電容器領(lǐng)域的應(yīng)用。同時(shí)由于 BaTiO3等鐵電陶瓷材料在高于居里溫度點(diǎn)時(shí)就會(huì)發(fā)生鐵電-順電相變，致使介電常數(shù)的溫度穩(wěn)定性能變差，因此開發(fā)頻率穩(wěn)定性好、電容密度高和介電常數(shù)高的新型納米復(fù)合材料仍然是一項(xiàng)非常緊迫的任務(wù)。
2.2 滲流型復(fù)合材料
滲流理論為高介電埋入式電容器的開發(fā)提供了一種新的思路。將半導(dǎo)體或者導(dǎo)體填料填充到聚合物基體中，隨著填料體積分?jǐn)?shù)增加到一定的量(滲流閾值)，填料顆粒之間形成大量或長(zhǎng)或短的導(dǎo)電通路，材料的電學(xué)特性發(fā)生從絕緣態(tài)到導(dǎo)電態(tài)的轉(zhuǎn)變。上述變化過程中，介電常數(shù)會(huì)成指數(shù)增長(zhǎng)，電阻急劇下降。大量的研究表明，滲流閾值不但與金屬填料的尺寸大小有關(guān)，而且與填料本身的形狀(長(zhǎng)寬比)及電特性都有密切的關(guān)系。如對(duì)納米導(dǎo)電顆粒碳黑 CB、鎳 Ni、鋅 Zn 及鎢 W 填充的' PVDF 復(fù)合材料的介電特性進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，四種導(dǎo)電顆粒的介電特性都存在滲流現(xiàn)象，且滲流閾值的范圍明顯不同。其中，碳黑的滲流閾值 8 vol%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于 Ni/PVDF 的滲流閾值 20 vol%、Zn/PVDF的滲流閾值 32 vol% 及 W/PVDF 的滲流閾值 23vol%。然而，它們的介電常數(shù)和損耗在滲流閾值附近都會(huì)發(fā)生非線性增大的現(xiàn)象，這種非線性行為在一定程度上限制了滲流型復(fù)合材料在電容器中的實(shí)際應(yīng)用。因此，有效地控制這種非線性電學(xué)行為對(duì)提高復(fù)合材料的實(shí)用性具有非比尋常的意義。
3 埋入式無源元件
埋入式平面電感的幾何形狀主要包括傳輸線、折形線、環(huán)形、多邊形、矩形螺旋及圓形螺旋等。其中傳輸線和環(huán)形電感的電感量比較小，但是可以獲得大 Q 值。折形線電感由于相鄰導(dǎo)體之間可以產(chǎn)生互感，且互感為負(fù)值，因此這種電感比較適合于弱耦合的情況。多邊形電感則以六邊形和八邊形居多，這種結(jié)構(gòu)可以改善電感的電流突變特性。矩形螺旋電感和圓形螺旋電感由于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于制備等因素，成為一種比較常見的電感結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)的主要特點(diǎn)是可以獲得比較大的電感量。因此要獲得比較大的電感，一般都會(huì)采用螺旋結(jié)構(gòu)。
無源濾波器作為微波元件的核心被廣泛應(yīng)用于各種類型的電子設(shè)備及個(gè)人移動(dòng)通訊終端產(chǎn)品上。根據(jù)經(jīng)典的濾波器設(shè)計(jì)理論，階數(shù)越高的濾波器越接近于理想的濾波器，進(jìn)而所使用的無源元件越多，因而傳統(tǒng)濾波器尺寸一般都比較大。近年來，基于有機(jī)基板的埋入式濾波器受到了廣泛關(guān)注，其主要的特點(diǎn)是集成埋入式電容和電感在 PCB 內(nèi)部形成濾波網(wǎng)絡(luò)。但是由于介質(zhì)層的厚度大約只有幾到幾十微米，這對(duì)于設(shè)計(jì)和制備高性能的埋入式濾波器來說是一個(gè)非常大的挑戰(zhàn)。因此探索適合于埋入式濾波器的結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)方法是一個(gè)非常有意義的研究課題。
4 結(jié)論和展望
埋入式無源元件技術(shù)對(duì)于電子系統(tǒng)和設(shè)備的小型化具有重要的意義。該技術(shù)涉及高性能納米聚合物復(fù)合材料的配方開發(fā)和埋入式元件的制備工藝優(yōu)化等諸多方面的問題。雖然國(guó)內(nèi)外科研工作者對(duì)納米陶瓷和導(dǎo)電顆粒填充的聚合物高介電聚合物基復(fù)合材料的研究，已經(jīng)獲得了一系列的成果，但是對(duì)于多組分非均勻聚合物基復(fù)合材料體系中的微觀結(jié)構(gòu)、界面效應(yīng)與復(fù)合體系電性能之間的關(guān)聯(lián)性仍然需要進(jìn)一步研究。隨著納米聚合物復(fù)合材料制備工藝的穩(wěn)定和性能的提升，以此為基礎(chǔ)的埋入式無源網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)和應(yīng)用必定會(huì)成為一個(gè)熱點(diǎn)問題。因此發(fā)展埋入式元件網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法學(xué)，探索聚合物納米電介質(zhì)在靜電防護(hù)、濾波電路及片上系統(tǒng)供電網(wǎng)絡(luò)等應(yīng)用方面的研究仍然會(huì)是未來的重要的研究方向。另外，由于埋入式元件及其三維系統(tǒng)級(jí)封裝基板涉及了大量的有機(jī)和無機(jī)納米材料，因此各種材料之間的界面特性，以及埋入式無源元件與基板之間都存在熱力學(xué)性能上的不匹配，導(dǎo)致局部區(qū)域出現(xiàn)應(yīng)力應(yīng)變集中、翹曲等問題。這就要求必須從理論模型、原材料配方、工藝以及設(shè)計(jì)優(yōu)化等方面綜合考慮。總之，目前聚合物納米電介質(zhì)材料的發(fā)展仍然存在諸多問題，但是隨著系統(tǒng)級(jí)封裝技術(shù)的快速發(fā)展，我們有理由相信聚合物納米電介質(zhì)材料及其埋入式元件技術(shù)會(huì)在電子系統(tǒng)中得到廣泛地應(yīng)用。
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