低介電樹脂 (2): 在電子電氣領域產品開發上常應用的特性 !!

5G 現正引領風騷 6G 發展勢不可擋~

 

高頻高速環境下 低介電材料逐漸受到重視 !!

 

5G為第五代通訊的簡稱，其透過高頻率短波長的特性，可達到更快更低延遲的傳輸效果，比起4G約高10倍的傳輸速度。而在5G盛行的科技時代，所連結到的價值鏈橫跨，電信服務、5G網路設備、5G基礎建設、5G半導體、5G消費品等，孕育而生的各類電子元件，為了符合5G的高頻特性，其衍生的高散熱、低耗損要求，也逐漸受到重視。

 

▲高速傳輸時代，許多新科技應用孕育而生

 

低介電材料

 

在5G的應用領域上，目前最受關注的特性無非是材料的介電常數(Dielectric constant)與損耗因子(Disspation factor)。介電常數是一種表徵材料對電場的反應程度的物理量，越低表示越不易被電場影響。較低的介電特性材料，可在5G這種高頻率的傳輸下，產生較少的損耗，減少訊號損耗，降低發熱情形及散熱機能的壓力。如在PCB產業中，佔成本將近一半的銅箔基板(Copper Clad Laminate, CCL)，能應用在其低介電材料開發，亦為目前熱門的議題之一。而其相應的上游材料可能有，低介電的樹脂、低介電的玻璃纖維材料，低介電的填充材料。下表根據銅箔基板的主成分，分別列出樹脂、補強材料、填充材料在低介電應用上，可能的潛在材料。

 

應用	樹脂	補強材料	填充材料
FR-4	環氧樹脂、酚醛樹脂、聚胺甲醛	玻璃纖維布	二氧化矽
低介電基板	聚苯醚、聚四氟乙烯、石油樹脂、低介電環氧	低介電玻璃纖維	中空二氧化矽、中空壓克力微球、中空玻璃微球

 

(延伸閱讀: 什麼是低介電材料? 有機樹脂或是無機填料，原來應用大不同!!

 

各類樹脂(熱固、熱塑)介電常數與損耗因子

 

由於樹脂具有許多優勢，如優異的耐化學性、電器絕緣性、黏著力、抗腐蝕性、機械強度、易加工性等，因此在電子相關應用上，也都佔有一定的重要角色。下表為各類常見的樹脂類型之介電常數與損耗因子，最常見的環氧、酚醛樹脂為各類之中具有較高的其介電常數。而聚苯醚以及具四氟乙烯具有較低的介電常數，為高頻率傳輸的趨勢下的新興材料寵兒。

 

Resin	樹脂	Dk (1 MHz)	Df (1 Mhz)
Phenolic resin	酚醛樹脂	3.1-4.0	0.03-0.037
Epoxy resin	環氧樹脂	3.0-3.9	0.01-0.03
Cyanate resin	氰酸酯	2.7-3.2	0.004-0.010
Silcone resin	矽樹脂	2.8-2.9	0.002-0.006
Polymide (PI)	聚醯亞胺樹脂	2.7-3.2	0.005-0.008
Bismaleimide (BMI)	馬來醯亞胺樹脂	2.8-3.2	0.005-0.007
Polyester resin	聚酯樹脂	2.7-3.2	0.005-0.020
Hydrocarbon resin	石油樹脂	2.2-2.6	0.001-0.005
Modified polyphenylene oxide (PPO)/ Polyphenylene ether (PPE)	聚苯醚	2.45	0.0007-0.001
Polycarbonate (PC)	聚碳酸酯	2.8-3.8	-
Cyclic olefin copolymer (COC)	環狀烯烴聚合物	2.3	0.00007
Poly(p-phenylene sulfide) (PPS)	聚苯硫醚	3.0	0.002
Poly(ether sulfone) (PES)	聚硫醚	3.5	0.003
Polysulfone (PSF)	聚碸	3.0-3.2	-
Poly(ether ether ketone) (PEEK)	聚醚醚酮	3.2	0.003
Polyphenylene sulfide (PPS)	聚苯硫醚	3.4-3.5	-
Liquid crystal polymer (LCP)	液晶聚合物	2.9	0.002
Polystyrene (PS)	聚苯乙烯	2.4-3.1*	0.0002(1GHz)*
Polyethylene (PE)	聚乙烯	2.3-2.4*	-
Poly tetra fluoro ethylene (PTFE)	聚四氟乙烯	2.1	0.0004

(Development of Halogen Free, Low Loss Copper-Clad Laminates Containing a Novel Phosphonate Oligomer, Y. Qiang, 2016)

*(https://www.professionalplastics.com/, Electrical Properties of Plastics)

 

比較各樹脂間介電常數(Dk)與損耗因子(Df)

 

若將樹脂分為熱固型與熱塑型，根據其介電特性繪製圖表，就如同下圖展示方式。可發現常見的熱固形樹脂，如酚醛樹脂、聚醯亞胺、環氧樹脂，相較之下都在此圖的右上方，相對上介電常數與耗損因子都屬於偏高的區間。聚碳酸脂是屬於介電常數小，但損耗因子較高。惟聚四氟乙烯是兩數值都相對較低的材料，因此在5G低介電的材料開發上，特別受到矚目，但由於該成本相對其他材料仍較為昂貴，尚無廣泛的應用。

 

(Tanigawa, Takao et al. “Low Transmission Loss Film Material for High-Speed High-Frequency Devices.” 2018 IEEE 68th Electronic Components and Technology Conference (ECTC) (2018): 1757-1761.)

 

低介電環氧樹脂

 

目前在市面上已有發展出低介電的環氧樹脂，可提供優異的耐化性、機械強度，同時又具備低介電特性。而低介電環氧樹脂和普通環氧樹脂的主要區別是在於它們的介電常數，在材料的應用上，都可以達到相同的要求。低介電環氧樹脂因此具有更好的信號傳輸效率和抗干擾能力，適用於高速、高頻、高密度的電子產品。低介電環氧樹脂的介電常數一般在3左右，而普通環氧樹脂的介電常數一般在4左右。下表為一般型與低介電環氧樹脂的相關數值差異。

 

項目	一般型環氧樹脂	低介電環氧樹脂	低介電環氧樹脂
環氧類型	雙酚A, BPA	雙環戊二烯, DCPD	聚苯醚, PPO
Tg (oC)	168	169	160
Dk (10 GHz)	3.8	3.25	2.8
Df (10 GHz)	0.032	0.016	0.011
CTE (ppm/oC)*	-	54	-

*硬化劑: 酚醛清漆, 催化劑: 2-甲基咪唑, 固化條件: 170 ^oC dry 240 ^oC press

 

將各型環氧樹脂Dk/Df值繪製如下圖，可發現透過環氧樹脂的改良，該介電特性逐漸接近低介電的聚苯醚類樹脂，且又具有環氧的特性，這樣的低介電環氧具有廣闊的發展前景。對於高速傳輸、無線通訊等高端應用領域將會發揮更大的作用。