片状铝粉/树脂高介电薄膜的界面调控及介电增强机理

嵌入式无源器件是当代集成电路小型化和高速化的主流技术，开发高介电常数（高k）电介质材料在微电子技术和信息产业具有广泛的应用前景。.本课题面向电子工业对高k嵌入式电容器电介质的迫切需求，针对目前金属/高分子系电介质介电损耗过大、难以应用的关键问题，以超薄片状铝粉为介电增强相，以与PCB兼容的环氧树脂为基体，研制一种高介电常数、低介电损耗、低渗流阈值的嵌入式电容器薄膜材料。在制备层面，通过铝粉受控钝化及表面修饰，改善铝粉/树脂界面的相容性、降低介电损耗，通过控制片状铝粉径厚比、含量，促进铝片平行排列，提高薄膜介电常数，降低体系渗流阈值。在科学层面，基于电容-电阻网络模型，采用Monte-Carlo模拟，计算和分析复合薄膜介电渗流转变的微观图象，探讨铝粉特征、含量及构象的影响，揭示高k介电增强现象的微观机理，采用介电松弛理论，阐明复合薄膜的极化机制和介电驰豫特征。

小型化、高密度、高稳定性的印刷电路板（PCB）是微电子技术发展的重要方向，由此诞生了嵌入式无源器件技术，开发嵌入式电容器是其中的关键。制造PCB基的嵌入式电容器首选低成本、易加工、高介电常数、低介电损耗的柔性电介质。作为这种电介质的候选材料，高分子导电复合材料得到广泛关注，但是高损耗、低稳定性限制了这种材料的应用。.本项目设计了一个新的材料体系——片状铝粉/环氧树脂复合薄膜，作为嵌入式电容器电介质的候选材料，通过科学的配方设计、结构控制、界面设计，降低复合材料的介电损耗，提高材料的介电常数和性能稳定性，以期开发一种高性能、低成本的复合电介质。在配方设计方面，通过固化动力学研究，选定了化学、工艺性能优良的TDE85-MeHHPA体系作为目标环氧树脂。在结构控制方面，通过选涂工艺，控制片状铝粉取向，获得了铝粉在树脂基体平行排列的复合薄膜。在界面设计方面，通过无机钝化和有机分子修饰，调控铝粉的表面化学，改进铝粉与树脂相容性和界面结合。.研究结果显示：1）微量的水作为氧化剂，可以在铝粉表面形成纳米级的、厚度可控的二次钝化膜Al(OH)3，从而减小漏电流，抑制钝化铝粉/高分子复合材料的介电损耗。表面控制钝化提供了制备低成本、高性能复合电介质的一种新思路；2）作为修饰剂，APS、OA和ASA被接枝到铝粉表面，这些修饰剂与环氧树脂产生强相互作用，不仅改善了铝粉的分散性，而且显著提高了铝粉/树脂复合材料的热稳定性和剪切强度；3）铝粉在树脂中取向排列，限制了导电渗流网络，促进了微电容的形成，导致其复合材料介电损耗下降、介电常数提高；4）复合材料的极化主要源于电子感应极化和空间电荷极化，介电常数主要受铝粉含量控制，介电损耗主要受树脂基体控制。由于良好的界面设计和结构控制，在铝粉含量为0~40wt%，复合薄膜的介电常数可达4.5~82，介电损耗仅有0.02~0.06，完全满足嵌入式电容器的要求。