先進(jìn)封裝中的低損耗介電材料在高速和高頻應(yīng)用中的應(yīng)用

逍遙設(shè)計自動化

引言
3 g$ v( B0 Y6 M) K在5G及更高頻率應(yīng)用的時代，對高速和高頻應(yīng)用的需求急劇增長。這些應(yīng)用中的關(guān)鍵組件之一是印刷電路板（PCB）和封裝中使用的介電材料。本文將探討低損耗介電材料的重要性、特性以及各制造商的最新發(fā)展。

  C. P5 f) L, g為什么需要低損耗介電材料？
8 s7 z( c% }" V3 c高速和高頻線路的主要目標(biāo)是減少傳輸損耗。傳輸損耗是導(dǎo)體損耗和介電損耗的總和。導(dǎo)體損耗可以通過使用高附著力技術(shù)制造的極低表面粗糙度銅箔來解決，而介電損耗則通過使用具有優(yōu)異介電特性的材料來緩解，特別是在寬頻率、溫度和濕度范圍內(nèi)具有低且穩(wěn)定的介電常數(shù)（Dk）和損耗因子（Df）。
+ \/ N/ k  s; _% T8 b; \0 E
$ R; G! i1 H) P8 z
; g+ `5 _+ `3 N( N圖1：傳輸損耗組成

低損耗介電材料的關(guān)鍵特性
% D; ?/ k/ T# G: A0 |對于5G等高速和高頻應(yīng)用，介電材料應(yīng)具備以下特性：

低且穩(wěn)定的Dk和Df值

低熱膨脹系數(shù)（CTE）

低固化溫度

低楊氏模量（

低吸濕率（

固化過程中低收縮率（

高延伸率

高抗拉強度

長保質(zhì)期

易于制造

適合組裝
+ v3 t" H* i8 G1 M: ^6 }4 v* k
- T& {! O- |) J. O, g' o' f( N低損耗介電材料的最新發(fā)展
( ^- C  j/ A, X1 S# {& E多家公司正在開發(fā)創(chuàng)新的低損耗介電材料。讓我們探討這些發(fā)展：
# {: i8 R1 I1 T# r* e: `1. NAMICS
% f/ M& N( e! W% J; _4 kNAMICS開發(fā)了一種具有低Df和Dk以及良好附著力的穩(wěn)定介電材料。通過添加球形二氧化硅（SiO2）填料，保持了充分的柔韌性，同時具有低CTE。
, a; \8 m' N- U+ _
3 [1 C9 n( j5 A/ d( Q. ^5 J
' A# I5 S/ a+ }2 k$ |0 X( _0 g  D5 R圖2：NAMICS薄膜的外觀和材料特性
5 n* z" ^3 m7 N4 q; o
1 n0 T( l9 t2 q% ~3 X該材料展現(xiàn)出優(yōu)異的特性：
# \! }# g* z0 F1 }& n. r6 \

2 GHz時：Dk = 3，Df = 0.0025

CTE = 25 × 10^-6 /°C

抗拉強度 = 630 MPa

銅粗糙面（Ra = 1.8 μm）的附著力 = 7 N/cm

銅光滑面（Ra = 0.25 μm）的附著力 = 5.5 N/cm
' f/ B- G8 K+ p- ^* X" g
# T. E- J1 z) G# l6 Q( Q, x5 C2. 杜邦
" ^1 @) t: m$ S3 e) |( A杜邦開發(fā)了用于5G光電介質(zhì)應(yīng)用的XP-Formulation A和XP-Formulation B。XP-Formulation B使用非丙烯酸酯基新型光系統(tǒng)，實現(xiàn)高對比度光刻，同時獲得優(yōu)異的電氣特性。
" y1 d7 _  s5 z& ^& D7 X
$ D' n1 M  T1 A' ~) z表1：XP-Formulation A和XP-Formulation B的材料特性

XP-Formulation B的主要特性：

Df = 0.0022（28 GHz）和0.0029（77 GHz）

Dk = 2.5（10-40 GHz）

Tg = 170°C

吸水率 = 0.13%
5 z4 x. t( A& n& R# `, W
3. 日立/杜邦微系統(tǒng)
; j! m( q/ a' y* C& {+ U5 U日立/杜邦微系統(tǒng)開發(fā)了具有優(yōu)異電氣和機械特性的非光敏和光敏聚酰亞胺。

圖3：非光敏和光敏聚酰亞胺的Dk和Df隨固化溫度的變化

% l* @' G- P% v" H新型光敏聚酰亞胺在320°C固化后顯示：
8 {/ p: l, h, n

Dk = 3.0（20 GHz）

Df = 0.006（20 GHz）
2 ]5 q; Y2 M" Q' _, ^. D0 `
1 O/ Y% P8 j8 x/ V3 |' q  k. p* I4. JSR
+ D4 t! z  S* w% s! WJSR利用獨特的聚合物合成技術(shù)開發(fā)了基于芳香族聚醚的HC聚合物。
0 j. L1 e" l  F
圖4：HC聚合物在10 GHz時的Df與Tg關(guān)系
( b) A) h' @& G+ t
: G. x6 v( V$ @% K6 \" ~& O: iHC聚合物的特性：

Dk = 2.46（10 GHz）

Df = 0.0027（10 GHz）

模量 = 3 GPa

抗拉強度 = 62 MPa

延伸率 = 34%

Tg = 206°C
5 t+ K7 D& G8 F% u* h! z8 |
5 V1 h, E* @: u7 C5 U) ]5. 東麗
/ s2 ~2 B0 J' w( W4 [* @' @9 p! k東麗基于分子設(shè)計方法開發(fā)了三種低Dk和Df聚酰亞胺（PI-A、PI-B和PI-C）。

表2：東麗聚酰亞胺的材料特性
; n. z* ^8 s+ |' L% e
PI-B聚酰亞胺顯示最佳電氣特性：
6 P! C& b# w2 k6 E5 h5 N3 d/ M9 W

Dk = 2.7（20 GHz）

Df = 0.002（20 GHz）

6. 佳能化學(xué)
; |! q8 A+ `' _: P/ i  V佳能化學(xué)高級材料和日本佳能化學(xué)聯(lián)合合成了一種新型嵌段共聚物PRL-29，可作為光刻層應(yīng)用的負(fù)性光刻膠。
7 p7 \! i( y; n4 K  Q) h! ?- k$ ~* C7 a
圖5：PRL-29的Df和Dk隨頻率的變化

6 f2 c& h$ C9 p) s/ lPRL-29的主要特性：
$ P- T+ s8 h) n+ Z" I4 B

Dk = 2.5（20-85 GHz平均值）

Df = 0.004（20-85 GHz平均值）

Tg = 220°C

楊氏模量 = 1.8 GPa

延伸率 = 35%
4 ^% f* s6 H" M/ ^3 h
. T" G" B. I" B- \" \7 I7. 三菱
9 W: K- n: K7 q4 l& D: K, \三菱為BT（雙馬來酰亞胺三嗪）樹脂開發(fā)了新的低極性組分，并使用新開發(fā)的聚合物共混技術(shù)將其與主要成分結(jié)合。

圖6：Df和Dk隨低極性組分含量的變化
2 J5 U( U1 Y7 |0 f" s
2 L6 a% ^7 v8 p- h研究發(fā)現(xiàn)，25%的低極性組分對BT復(fù)合材料在網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中最為理想。
% m3 Z' i& F0 u* ]9 R' V
8. TAITO INK
& L6 X9 K  l+ T/ }TAITO INK通過優(yōu)化環(huán)氧樹脂和硅膠的混合，開發(fā)了一種新型干膜疊層材料（Material A），以實現(xiàn)下一代基板的低傳輸損耗。

圖7：Material A和傳統(tǒng)材料的Df隨頻率的變化
" v3 Y: _! q. O1 H, O4 e& `+ D
Material A的特性：

Df = 0.0025（10 GHz）

Dk = 3.2（10 GHz）

適用于10至80 GHz的頻率范圍
' _% N7 m# ]* ~
7 Q0 p  D4 R" \, E! x  \+ Y( A5 X未來展望
根據(jù)各制造商報告的Df和Dk值，對未來進(jìn)行了預(yù)測。

: W7 A6 y2 D# o" u, J1 q- P圖8：未來5年Df的發(fā)展路線圖
2 B" L1 ^1 ~% @7 A0 e9 D
3 Y5 H5 |& E# p2 s7 q' N  C7 k
圖9：未來Dk的發(fā)展路線圖
' C8 A- g# ~0 W8 Y1 X( P
4 M0 _+ t) I1 M' ~% t! O4 E這些路線圖顯示，在未來幾年，Df和Dk值將呈現(xiàn)更低的趨勢，這對支持高速和高頻應(yīng)用的不斷增長的需求很重要。

結(jié)論
) o" \" d8 L. R低損耗介電材料在實現(xiàn)高速和高頻應(yīng)用方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用，特別是在5G時代及以后。正如我們所見，各制造商正在開發(fā)具有越來越低的Df和Dk值的創(chuàng)新材料，同時具備其他理想特性，如低CTE、高耐溫性和良好的機械強度。該領(lǐng)域持續(xù)的研究和開發(fā)將繼續(xù)推動高頻電子技術(shù)的可能性邊界，為更快速、更高效的通信系統(tǒng)奠定基礎(chǔ)。
3 ?. o. ?0 F0 d
& M  i9 b) g6 |% n6 g! l  s參考文獻(xiàn)
0 `; y( u$ V) o( F[1] J. H. Lau, "Semiconductor Advanced Packaging," Singapore: Springer Nature Singapore Pte Ltd., 2021.
https://www.latitudeds.com/
8 a& o6 F% w2 }' w- m
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