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聚合物纳米电介质材料研究进展及其在埋入式无源元件中的应用概述  

2016-12-14 22:09:12|  分类: 嫦娥飞天——中华 |  标签: |举报 |字号 订阅

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1 引 言

  以电极化方式记录或传递电信号的聚合物纳米电介质材料在储能、通讯、电气及高密度电子封装等领域都具有重要的应用。这类材料通常是由不同功能的无机纳米填料均匀地分散到聚合物基体中而形成复合体系。它集成了复合体系内部各种组分的优点,特别是由于纳米填料所具有的大比表面积和高表面活性而表现出来的表面效应、尺寸效应、宏观量子隧道效应等物理特性,使得聚合物复合材料表现出不同于一般传统聚合物材料所具有的新颖特性,甚至会产生新的复合效应。以往的研究主要集中在聚合物复合材料的力学特性上。近几年来,由于电子设备小型化及多功能化的发展要求,板载无源元件(电阻、电容和电感)的需求量越来越大,已经成为制约电子设备小型化的一个关键因素。如在典型的装配中,作为电子电路基本要素且价格比不足 3%的无源元件占据了电路板 40% 以上的空间,其中电容占无源元件数量的 60%。因此,如何在有限的基板面积上提高无源元件的板载量,最大化地提高无源元件的集成度,并改善电子系统的电磁干扰特性已经成为当前高速、高密度封装领域的一个非常重要的研究课题。三维封装技术为解决基板的面积问题提供了新的思路。如图 1 所示,将大量的无源元件,尤其是电容,埋入基板内部不但可以解决基板的面积问题,而且有利于改善电子系统抗电磁干扰的能力。在这种背景下,以聚合物纳米电介质材料为基础的嵌入式或埋入式电容器及其相关的应用技术研究受到了前所未有的重视。

  2 纳米聚合物复合电介质材料

  2.1 陶瓷聚合物复合材料

  对于聚合物基电介质材料,填料的性能往往直接影响复合材料的性能。因此为了获得优异的介电特性,国内外学者对诸如铅系[4]和钡系(BaTiO3[5]Ba1-xSrxTiO3[6])之类的铁电陶瓷进行了广泛而深入的研究。常温下,这类陶瓷材料具有相对较高的介电常数(103)和击穿电压以及较低的介电损耗(<0.05)。铅系陶瓷由于环保的需求而逐渐被淘汰。钡系陶瓷中又以对纳米 BaTiO3-聚合物复合材料的研究最多,这主要是由于纳米 BaTiO3陶瓷工艺和技术的发展以及BaTiO3陶瓷出色的介电特性。目前纳米 BaTiO3-epoxy 埋入式电容器材料[7]已经成功产品化并应用于部分电子产品中,但其介电常数仍然很低,电容密度值很小(一般为 1 nF/cm2),这大大限制了 BaTiO3-环氧复合材料在埋入式电容器领域的应用。同时由于 BaTiO3等铁电陶瓷材料在高于居里温度点时就会发生铁电-顺电相变,致使介电常数的温度稳定性能变差,因此开发频率稳定性好、电容密度高和介电常数高的新型纳米复合材料仍然是一项非常紧迫的任务。

  2.2 渗流型复合材料

  渗流理论为高介电埋入式电容器的开发提供了一种新的思路。将半导体或者导体填料填充到聚合物基体中,随着填料体积分数增加到一定的量(渗流阈值),填料颗粒之间形成大量或长或短的导电通路,材料的电学特性发生从绝缘态到导电态的转变。上述变化过程中,介电常数会成指数增长,电阻急剧下降。大量的研究表明,渗流阈值不但与金属填料的尺寸大小有关,而且与填料本身的形状(长宽比)及电特性都有密切的关系。如对纳米导电颗粒碳黑 CB、镍 Ni、锌 Zn 及钨 W 填充的 PVDF 复合材料的介电特性进行研究发现,四种导电颗粒的介电特性都存在渗流现象,且渗流阈值的范围明显不同。其中,碳黑的渗流阈值 8 vol%,远远小于 Ni/PVDF 的渗流阈值 20 vol%Zn/PVDF的渗流阈值 32 vol% W/PVDF 的渗流阈值 23vol%。然而,它们的介电常数和损耗在渗流阈值附近都会发生非线性增大的现象,这种非线性行为在一定程度上限制了渗流型复合材料在电容器中的实际应用。因此,有效地控制这种非线性电学行为对提高复合材料的实用性具有非比寻常的意义。

  3 埋入式无源元件

  埋入式平面电感的几何形状主要包括传输线、折形线、环形、多边形、矩形螺旋及圆形螺旋等。其中传输线和环形电感的电感量比较小,但是可以获得大 Q 值。折形线电感由于相邻导体之间可以产生互感,且互感为负值,因此这种电感比较适合于弱耦合的情况。多边形电感则以六边形和八边形居多,这种结构可以改善电感的电流突变特性。矩形螺旋电感和圆形螺旋电感由于其结构简单,易于制备等因素,成为一种比较常见的电感结构。该结构的主要特点是可以获得比较大的电感量。因此要获得比较大的电感,一般都会采用螺旋结构。

  无源滤波器作为微波元件的核心被广泛应用于各种类型的电子设备及个人移动通讯终端产品上。根据经典的滤波器设计理论,阶数越高的滤波器越接近于理想的滤波器,进而所使用的无源元件越多,因而传统滤波器尺寸一般都比较大。近年来,基于有机基板的埋入式滤波器受到了广泛关注,其主要的特点是集成埋入式电容和电感在 PCB 内部形成滤波网络。但是由于介质层的厚度大约只有几到几十微米,这对于设计和制备高性能的埋入式滤波器来说是一个非常大的挑战。因此探索适合于埋入式滤波器的结构和设计方法是一个非常有意义的研究课题。

  4 结论和展望

  埋入式无源元件技术对于电子系统和设备的小型化具有重要的意义。该技术涉及高性能纳米聚合物复合材料的配方开发和埋入式元件的制备工艺优化等诸多方面的问题。虽然国内外科研工作者对纳米陶瓷和导电颗粒填充的聚合物高介电聚合物基复合材料的研究,已经获得了一系列的成果,但是对于多组分非均匀聚合物基复合材料体系中的微观结构、界面效应与复合体系电性能之间的关联性仍然需要进一步研究。随着纳米聚合物复合材料制备工艺的稳定和性能的提升,以此为基础的埋入式无源网络的设计和应用必定会成为一个热点问题。因此发展埋入式元件网络的系统设计方法学,探索聚合物纳米电介质在静电防护、滤波电路及片上系统供电网络等应用方面的研究仍然会是未来的重要的研究方向。另外,由于埋入式元件及其三维系统级封装基板涉及了大量的有机和无机纳米材料,因此各种材料之间的界面特性,以及埋入式无源元件与基板之间都存在热力学性能上的不匹配,导致局部区域出现应力应变集中、翘曲等问题。这就要求必须从理论模型、原材料配方、工艺以及设计优化等方面综合考虑。总之,目前聚合物纳米电介质材料的发展仍然存在诸多问题,但是随着系统级封装技术的快速发展,我们有理由相信聚合物纳米电介质材料及其埋入式元件技术会在电子系统中得到广泛地应用。

 

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