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聚合物納米電介質材料研究進展及其在埋入式無源元件中的應用概述
1 引 言
以電極化方式記錄或傳遞電信號的聚合物納米電介質材料在儲能、通訊、電氣及高密度電子封裝等領域都具有重要的應用。這類材料通常是由不同功能的無機納米填料均勻地分散到聚合物基體中而形成復合體系。它集成了復合體系內部各種組分的優點，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出來的表面效應、尺寸效應、宏觀量子隧道效應等物理特性，使得聚合物復合材料表現出不同于一般傳統聚合物材料所具有的新穎特性，甚至會產生新的復合效應。以往的研究主要集中在聚合物復合材料的力學特性上。近幾年來，由于電子設備小型化及多功能化的發展要求，板載無源元件(電阻、電容和電感)的需求量越來越大，已經成為制約電子設備小型化的一個關鍵因素。如在典型的裝配中，作為電子電路基本要素且價格比不足 3%的無源元件占據了電路板 40% 以上的空間，其中電容占無源元件數量的 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，并改善電子系統的電磁干擾特性已經成為當前高速、高密度封裝領域的一個非常重要的研究課題。三維封裝技術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抗電磁干擾的能力。在這種背景下，以聚合物納米電介質材料為基礎的嵌入式或埋入式電容器及其相關的應用技術研究受到了前所未有的重視。
2 納米聚合物復合電介質材料
2.1 陶瓷聚合物復合材料
對于聚合物基電介質材料，填料的性能往往直接影響復合材料的性能。因此為了獲得優異的介電特性，國內外學者對諸如鉛系[4]和鋇系(BaTiO3[5]、Ba1-xSrxTiO3[6])之類的鐵電陶瓷進行了廣泛而深入的研究。常溫下，這類陶瓷材料具有相對較高的介電常數(103)和擊穿電壓以及較低的介電損耗(<0.05)。鉛系陶瓷由于環保的需求而逐漸被淘汰。鋇系陶瓷中又以對納米 BaTiO3-聚合物復合材料的研究最多，這主要是由于納米 BaTiO3陶瓷工藝和技術的發展以及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]已經成功產品化并應用于部分電子產品中，但其介電常數仍然很低，電容密度值很小(一般為 1 nF/cm2)，這大大限制了 BaTiO3-環氧復合材料在埋入式電容器領域的應用。同時由于 BaTiO3等鐵電陶瓷材料在高于居里溫度點時就會發生鐵電-順電相變，致使介電常數的溫度穩定性能變差，因此開發頻率穩定性好、電容密度高和介電常數高的新型納米復合材料仍然是一項非常緊迫的任務。
2.2 滲流型復合材料
滲流理論為高介電埋入式電容器的開發提供了一種新的思路。將半導體或者導體填料填充到聚合物基體中，隨著填料體積分數增加到一定的量(滲流閾值)，填料顆粒之間形成大量或長或短的導電通路，材料的電學特性發生從絕緣態到導電態的轉變。上述變化過程中，介電常數會成指數增長，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，而且與填料本身的形狀(長寬比)及電特性都有密切的關系。如對納米導電顆粒碳黑 CB、鎳 Ni、鋅 Zn 及鎢 W 填充的 PVDF 復合材料的介電特性進行研究發現，四種導電顆粒的介電特性都存在滲流現象，且滲流閾值的范圍明顯不同。其中，碳黑的滲流閾值 8 vol%，遠遠小于 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，它們的介電常數和損耗在滲流閾值附近都會發生非線性增大的現象，這種非線性行為在一定程度上限制了滲流型復合材料在電容器中的實際應用。因此，有效地控制這種非線性電學行為對提高復合材料的實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、環形、多邊形、矩形螺旋及圓形螺旋等。其中傳輸線和環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體之間可以產生互感，且互感為負值，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，這種結構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構簡單，易于制備等因素，成為一種比較常見的電感結構。該結構的主要特點是可以獲得比較大的電感量。因此要獲得比較大的電感，一般都會采用螺旋結構。
無源濾波器作為微波元件的核心被廣泛應用于各種類型的電子設備及個人移動通訊終端產品上。根據經典的濾波器設計理論，階數越高的濾波器越接近于理想的濾波器，進而所使用的無源元件越多，因而傳統濾波器尺寸一般都比較大。近年來，基于有機基板的埋入式濾波器受到了廣泛關注，其主要的特點是集成埋入式電容和電感在 PCB 內部形成濾波網絡。但是由于介質層的厚度大約只有幾到幾十微米，這對于設計和制備高性能的埋入式濾波器來說是一個非常大的挑戰。因此探索適合于埋入式濾波器的結構和設計方法是一個非常有意義的研究課題。
4 結論和展望
埋入式無源元件技術對于電子系統和設備的小型化具有重要的意義。該技術涉及高性能納米聚合物復合材料的配方開發和埋入式元件的制備工藝優化等諸多方面的問題。雖然國內外科研工作者對納米陶瓷和導電顆粒填充的聚合物高介電聚合物基復合材料的研究，已經獲得了一系列的成果，但是對于多組分非均勻聚合物基復合材料體系中的微觀結構、界面效應與復合體系電性能之間的關聯性仍然需要進一步研究。隨著納米聚合物復合材料制備工藝的穩定和性能的提升，以此為基礎的埋入式無源網絡的設計和應用必定會成為一個熱點問題。因此發展埋入式元件網絡的系統設計方法學，探索聚合物納米電介質在靜電防護、濾波電路及片上系統供電網絡等應用方面的研究仍然會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級封裝基板涉及了大量的有機和無機納米材料，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性能上的不匹配，導致局部區域出現應力應變集中、翹曲等問題。這就要求必須從理論模型、原材料配方、工藝以及設計優化等方面綜合考慮�？傊壳熬酆衔锛{米電介質材料的發展仍然存在諸多問題，但是隨著系統級封裝技術的快速發展，我們有理由相信聚合物納米電介質材料及其埋入式元件技術會在電子系統中得到廣泛地應用。
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