隨著電子信息技術的高速發展，集成電路密集度與導體連線數目不斷增加，進而導致的電阻電容延遲（RC delay）嚴重影響芯片的運算速度。電路信號傳輸速度通常取決于寄生電阻與寄生電容二者乘積。為了解決RC delay的問題，通常來講必須降低寄生電阻（銅互連代替鋁互連）以及寄生電容。而寄生電容正比于電路層隔絕介質的介電常數k，因而開發新型低介電材料（k<3）作為不同電路層的隔絕層介質，可有效減小寄生電容，并有效降低RC信號延遲，提高器件工作頻率。
另外，由于電子信息器件的多樣化和復雜性，具備3D打印（通過逐層打印的方式來構造物體的技術）特性的低介電復合材料樹脂尤其重要，目前，基于立體光刻成型（SLA）的3D打印商業材料通常是甲基丙烯酸酯基樹脂，而其介電性能、熱穩定性、韌性等均已不滿足目前的技術需求。
經過多年的攻關研究，陳玉偉等研究人員近期報道了一種用于SLA印刷電路板的低介電常數POSS/樹脂復合材料。首先通過引入甲基丙烯酸得到端接甲基丙烯酸酯雙酚A環氧樹脂（MEP），然后通過加入不同質量分數的甲基丙烯酰基丙基籠多面體倍半硅氧烷（POSS）即可有效改善MEP/POSS復合材料的綜合性能（圖1）。研究表明，當質量分數為30 wt% POSS加入后，MEP/POSS復合材料的介電常數低至2.68，MEP/POSS復合材料的Td5（樣品質量損失5 %的溫度）超過320 ℃，表明其具有良好的熱穩定性。此外，MEP/POSS復合材料的粘度在2.05-2.40 Pa·s之間，也是一種優良的3D打印樹脂。
圖1. POSS/MEP樹脂復合材料制備，（A）端接甲基丙烯酸酯雙酚A環氧樹脂（MEP）的合成，（B）POSS/MEP復合材料UV固化過程。
隨后將MEP/POSS復合樹脂材料通過立體光刻（SLA）打印電路板襯底，然后與銅電極裝配得到平板叉指電極電容器。此外，將MEP/POSS復合樹脂材料通過立體光刻（SLA）打印得到形狀復雜的城堡模型（圖2A）。重要的是，由于POSS具有籠型的納米孔結構，通過改變POSS的負載來調節POSS/MEP復合材料的介電性能（圖2B、C）。當加入質量分數為30 wt%POSS后，MEP/POSS復合材料的介電常數低至2.68，介電損耗低于0.08。
圖2. （A）平板叉指電極電容器和3D打印模型，（B、C）POSS/MEP復合材料的介電常數和介電損耗。
本項研究以“Rational design of POSS containing low dielectric resin for SLA printing electronic circuit plate composites”為題發表在復合材料領域TOP期刊Composites science and Technology上（DOI: 10.1016/j.compscitech.2022.109403），第一作者為青島科技大學高分子科學與工程學院碩士研究生胡振東，通訊作者為青年學者陳玉偉，共同作者由張建明教授、劉學清教授、強哲教授、付堃教授等多位科學家及參與該研究的研究生組成，此研究工作得到船舶振動和噪聲國家重點實驗室（6142204200608）、湖北省團隊創新基金會（T201935）、江漢大學光電化學材料與器件教育部重點實驗室開放基金項目（JDGD-202001）、橡膠塑料重點實驗室開放基金、教育部/山東省橡膠塑料重點實驗室（KF2020002）和國家自然科學基金（51803103）的支持。
原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.compscitech.2022.109403
