先进封装中的低损耗介电材料在高速和高频应用中的应用

逍遥设计自动化

引言
: p) @% s3 C2 J3 ?$ ^8 V8 u在5G及更高频率应用的时代，对高速和高频应用的需求急剧增长。这些应用中的关键组件之一是印刷电路板（PCB）和封装中使用的介电材料。本文将探讨低损耗介电材料的重要性、特性以及各制造商的最新发展。

为什么需要低损耗介电材料？
; n4 Z) b$ N4 Y/ y高速和高频线路的主要目标是减少传输损耗。传输损耗是导体损耗和介电损耗的总和。导体损耗可以通过使用高附着力技术制造的极低表面粗糙度铜箔来解决，而介电损耗则通过使用具有优异介电特性的材料来缓解，特别是在宽频率、温度和湿度范围内具有低且稳定的介电常数（Dk）和损耗因子（Df）。
1 Y! |! E, I7 B$ h

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图1：传输损耗组成
5 t: z4 a4 X& ~: n# A$ e; o  o
/ q/ v. U* M) z低损耗介电材料的关键特性
对于5G等高速和高频应用，介电材料应具备以下特性：
( @6 D; r% u% q

低且稳定的Dk和Df值

低热膨胀系数（CTE）

低固化温度

低杨氏模量（

低吸湿率（

固化过程中低收缩率（

高延伸率

高抗拉强度

长保质期

易于制造

适合组装

低损耗介电材料的最新发展
多家公司正在开发创新的低损耗介电材料。让我们探讨这些发展：
. C7 }+ D4 ?5 h* _( h1. NAMICS
NAMICS开发了一种具有低Df和Dk以及良好附着力的稳定介电材料。通过添加球形二氧化硅（SiO2）填料，保持了充分的柔韧性，同时具有低CTE。
* k: v3 Y* ~3 j
. L+ H1 F. ^/ L

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图2：NAMICS薄膜的外观和材料特性
) T: ~& h. L2 ^/ r" S6 R# g
3 h9 @/ S/ H; C4 i( A该材料展现出优异的特性：

2 GHz时：Dk = 3，Df = 0.0025

CTE = 25 × 10^-6 /°C

抗拉强度 = 630 MPa

铜粗糙面（Ra = 1.8 μm）的附着力 = 7 N/cm

铜光滑面（Ra = 0.25 μm）的附着力 = 5.5 N/cm

2 ?* Z. |% f7 U6 h; a2. 杜邦
杜邦开发了用于5G光电介质应用的XP-Formulation A和XP-Formulation B。XP-Formulation B使用非丙烯酸酯基新型光系统，实现高对比度光刻，同时获得优异的电气特性。

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表1：XP-Formulation A和XP-Formulation B的材料特性

XP-Formulation B的主要特性：
, T8 L8 E1 W' z' P1 A% H! e* }! n

Df = 0.0022（28 GHz）和0.0029（77 GHz）

Dk = 2.5（10-40 GHz）

Tg = 170°C

吸水率 = 0.13%
0 `& |1 t& S2 j0 _" I2 N8 a+ M/ L
# `4 H0 h5 A) s' h% h! w3. 日立/杜邦微系统
3 ?' k0 ?: D) `/ Q( x日立/杜邦微系统开发了具有优异电气和机械特性的非光敏和光敏聚酰亚胺。
1 J! x+ g) j; d! v) S( k/ k* g4 A

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图3：非光敏和光敏聚酰亚胺的Dk和Df随固化温度的变化

  Q, @" `9 ~! `7 G- D新型光敏聚酰亚胺在320°C固化后显示：
0 f: w& L2 \& \( k! A5 o8 \- t

Dk = 3.0（20 GHz）

Df = 0.006（20 GHz）

3 V/ q. k6 ~* [" h8 T3 G/ D1 y4. JSR
- b! d/ N9 ]% l+ W1 h( pJSR利用独特的聚合物合成技术开发了基于芳香族聚醚的HC聚合物。
% s% x" Z( z& b: r3 E# a- Y& J

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图4：HC聚合物在10 GHz时的Df与Tg关系
9 x4 _& M: }8 M# d% j
, U: ^9 |& @. }HC聚合物的特性：

Dk = 2.46（10 GHz）

Df = 0.0027（10 GHz）

模量 = 3 GPa

抗拉强度 = 62 MPa

延伸率 = 34%

Tg = 206°C
: p7 C3 r8 e) ^" _1 x
5. 东丽
东丽基于分子设计方法开发了三种低Dk和Df聚酰亚胺（PI-A、PI-B和PI-C）。
. n1 t( M) Q# s2 ^3 x

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% h9 `$ C0 n  @/ E! D, m表2：东丽聚酰亚胺的材料特性

PI-B聚酰亚胺显示最佳电气特性：
3 v6 ]+ R! B0 n* ^  }, F

Dk = 2.7（20 GHz）

Df = 0.002（20 GHz）

! u# ?/ ]5 e  l0 D; L' c" Y4 f6. 佳能化学
佳能化学高级材料和日本佳能化学联合合成了一种新型嵌段共聚物PRL-29，可作为光刻层应用的负性光刻胶。

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  B) z5 S6 K& [2 Z8 f! F+ F7 O图5：PRL-29的Df和Dk随频率的变化
4 g) a: n" }# C( u9 Q0 _
8 H+ ^$ I  ^, W" [' B& {PRL-29的主要特性：
$ P- Q' U- e( l3 W

Dk = 2.5（20-85 GHz平均值）

Df = 0.004（20-85 GHz平均值）

Tg = 220°C

杨氏模量 = 1.8 GPa

延伸率 = 35%
% T: n2 s$ A" j( _& @
6 [" ~* N  J" E7. 三菱
三菱为BT（双马来酰亚胺三嗪）树脂开发了新的低极性组分，并使用新开发的聚合物共混技术将其与主要成分结合。

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图6：Df和Dk随低极性组分含量的变化
* f8 ]/ |, G$ L* w3 v
研究发现，25%的低极性组分对BT复合材料在网络应用中最为理想。

/ e5 m& P& O( t- L8. TAITO INK
TAITO INK通过优化环氧树脂和硅胶的混合，开发了一种新型干膜叠层材料（Material A），以实现下一代基板的低传输损耗。
8 t& F5 w1 p2 I# i8 `- ~

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5 p; _% Y4 l9 j$ Q0 S图7：Material A和传统材料的Df随频率的变化
  _, O  B' z& L
$ B3 G+ m  U* s* gMaterial A的特性：

Df = 0.0025（10 GHz）

Dk = 3.2（10 GHz）

适用于10至80 GHz的频率范围

0 w/ R: u8 u5 h  u5 e; S未来展望
- ]3 |( v# s0 H2 U  d% g根据各制造商报告的Df和Dk值，对未来进行了预测。
6 t  o/ m/ }( }5 f& v* d5 x* s- j' V

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' Z) @2 x" N) \! G5 F) Z. F图8：未来5年Df的发展路线图

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图9：未来Dk的发展路线图
2 C( n3 \/ _# U/ U
这些路线图显示，在未来几年，Df和Dk值将呈现更低的趋势，这对支持高速和高频应用的不断增长的需求很重要。
0 |! T( O- r+ [7 l0 Q: f; `
结论
低损耗介电材料在实现高速和高频应用方面发挥着关键作用，特别是在5G时代及以后。正如我们所见，各制造商正在开发具有越来越低的Df和Dk值的创新材料，同时具备其他理想特性，如低CTE、高耐温性和良好的机械强度。该领域持续的研究和开发将继续推动高频电子技术的可能性边界，为更快速、更高效的通信系统奠定基础。

参考文献
[1] J. H. Lau, "Semiconductor Advanced Packaging," Singapore: Springer Nature Singapore Pte Ltd., 2021.
https://www.latitudeds.com/
% U) J8 E( d9 B1 W% j2 O
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