5G時代信號的傳輸速度也會遠快於4G信號,就要求材料對信號的幹擾小、介電常數小,保證大數據傳輸不受幹擾。
當器件的特徵尺寸逐漸減小時即集成度不斷提高時,會引起電阻-電容(RC)延遲上升,從而出現信號傳輸延時、噪聲幹擾增強和功率損耗增大等一系列問題, 這將極大限制器件的高速性能。例如,當電子元器件的尺寸縮小至一定尺度時,布線之間的電感-電容效應逐漸增強,導線電流的相互影響使信號遲滯現象變得十分突出,信號遲滯時間計算公式如下:
上式中,τ為傳輸信號的遲滯時間;C為材料的電容;ρ為導線的比阻抗;ε為層間介電(Interlayer Dielectric,ILD)材料的介電常數;εo為真空介電常數;L 為導線長度;T為導線厚度;P為兩導線之間的距離。
因此,在超大規模集成電路向縱深發展的大背景下,降低層間材料的介電常數,使用低介電常數材料成為減小信號遲滯時間的重要手段。那麼,低介電材料究竟是什麼?常見高分子材料的介電常數又是多少?
顧名思義,低介電常數材料就是指介電常數 ε低的電介質材料。其介電常數可分別歸類為:ε>3.0,ε=2.5~3.0,和ε<2.2(超低介電常數)。低介電常數材料按材料特徵可分為無機物和有機高分子兩大類。前者具有高穩定性、低收縮性和耐腐蝕性等優點,而後者則具有分子設計多樣化、加工性能好等優勢。
為獲得低介電常數,必須選用非極性分子材料。對於非極性分子,Clausius-Mosotti方程將介電常數 ε 與極化率 α 聯繫起來
上式中N為單位體積內的極化分子數,k=ε/ε0,ε/ε0 分別是材料和真空介電常數。α 為總分子極化率,包括電子和離子極化率等。
由上式可知降低材料介電常數的途徑有:
(1)降低材料的極化率,包括電子、離子和分子極化率,即選擇或研發低極化能力的材料;
(2)增加材料空隙密度,從而降低材料的密度(單位體積內極化分子數N)。
對不同性質的電介質往往只有一種極化作用佔主導地位,非極性分子主要是電子極化;離子晶體主要是離子極化;強極性介質中佔主導地位的是偶極子分子極化。低介電材料分子組成一般沒有離子鍵,所以降低材料的極化率,主要是降低材料中的電子極化率和分子極化率。
常見材料介電常數表
目前大家探討比較多是5G工程塑料,主要分為薄膜產品(LCP,PI等用在線路板,天線)、還有就是結構件(注塑成型),如低介電LCP、PBT、PPO、PPS等。選材中既要滿足介電常數低又要滿足力學性能、化學性能、電性能等因素。改性塑料的介電常數跟基材的分子結構有關,同時也跟增強/填充材料的介電常數有關。
5G時代!未來已來!