邁向高頻高速：Low Dk 材料配方設計指南

 

邁向高頻高速：Low Dk 材料配方設計指南

 

在 5G/6G 通訊、AI 伺服器以及先進封裝 (如 CoWoS、FOPLP) 蓬勃發展的今天，「Low Dk (低介電常數)」與「Low Df (低介電損耗)」已成為高頻電子材料配方工程師不可不知的核心關鍵字。

 

對於配方設計工程師來說，該如何從市面上各式各樣的樹脂材料以及各種單體原料中挑選適當的分子結構，調配出符合高頻傳輸需求的樹脂系統？甚至合成實驗室該設計哪類型的化學結構或是引入那些官能基，合成出的新穎單體或是特用樹脂可以有效達到電性的需求？這是在現階段材料上大家絞盡腦汁想要尋求突破的關鍵。

 

 

一、 為什麼半導體與高頻應用需要 Low Dk 材料？

 

在高頻電路中，信號傳輸的速度與介電材料的 Dk 值 (介電常數) 有著直接的關係。根據電磁波傳播公式，信號在介質中的傳播延遲與 Dk 值的平方根成正比：

 

 

• 降低信號延遲：Dk 值越低，信號傳播速度越快。
• 減少電容效應：低 Dk 能減少導線間的寄生電容，降低信號串擾 (Crosstalk) 並提高信號完整性。
• 降低傳輸損耗：雖然介電損耗主要由 Df 決定，但低 Dk 同樣有助於減少高頻下的整體電性能消耗。

 

因此，開發超低延遲、高保真度的封裝材料如底填膠 (Underfill)、封裝模塑料(Molding compounds) 與電路板基材，Low Dk 材料設計是必經之路。

 

 

二、 常見泛用樹脂材料的 Dk 值分布

 

在實際配方設計中，我們通常會以熱固性或熱塑性樹脂作為基底。不同化學骨架的樹脂，其基礎 Dk 值有著顯著的差異：

樹脂類型	縮寫	典型 Dk 值範圍 (10 GHz)	材料特點與應用
環氧樹脂	Epoxy	3.5–4.5	工藝性佳、黏著力強，但因含有極性羥基 (-OH)，Dk 偏高。
聚醯亞胺	PI	3.0–3.5	耐熱性極佳，常用於軟板 (FPC) 與耐高溫製程材料應用，含有極性醯胺結構且吸水率高，會拉高實測 Dk 值。
馬來醯亞胺樹脂	BMI	2.8–3.3	高 Tg、低熱膨脹，含有極性醯胺結構，常與其它低 Dk 樹脂共混改性。
聚苯醚樹脂	PPE / PPO	2.6–2.8	結構對稱性高，目前主流的高頻高速 CCL（覆銅板）基體材料。
氟素樹脂	PTFE	2.0–2.1	介電性能的極致，但加工性與黏著力極差，改性難度高。

 

 

三、 化學結構如何影響 Dk 值？

 

要設計 Low Dk 材料，必須回到物理化學的本質。介電常數代表材料在電場下的「極化能力」。極化程度越高，Dk 值就越大。根據 Clausius-Mossotti 方程式：

 

 

其中：

• Pm 為摩爾極化度 (Molar Polarization)
• Vm 為摩爾體積 (Molar Volume)

 

由此可知，想要降低介電常數，配方設計的核心方向就是：降低分子極化度 ( Pm ) 或是 增大分子體積 ( Vm)。

 

1. 極性官能基的影響 ( Pm 因素)：分子中若含有強極性基團，如 羥基-OH、羰基-C=O、氰基-CN、醚鍵 -O-，在交變電場 (Alternating Electric Field) 下會產生強烈的定向極化 (Orientation Polarization)，大幅拉高 Dk 值。反之，若引入大量的低極性官能基，如各式碳氫結構則能降低 Dk 值。
2. 分子對稱性的影響：若分子結構高度對稱，偶極矩會互相抵消，例如 PTFE 的對稱 C-F 鍵，或對稱的苯環結構等，極化度就會顯著降低。
3. 自由體積的影響 ( Vm 因素)：在結構中引入多環、非平面的三維立體基團，會妨礙分子鏈進行緊密堆積排列，增加材料內部的「自由體積 (Free Volume)」，等同於引入 Dk 接近 1.0 的空氣，進而有效降低整體 Dk。

 

 

四、 總結：Low Dk 材料的合成與配方設計策略

 

當您著手設計新一代的 Low Dk 材料時，可以採取以下四大核心合成策略：

 

• 去極化改性：針對傳統 Epoxy，可使用無羥基產生的固化劑，如活性酯 Active Ester 的設計，或對固化後產生的 -OH 進行封端 (Esterification)，減少末端裸露的極性基團產生。
• 引入氟原子 (Fluorination)：C-F 鍵極化率極低，且氟原子的電負度大，能將電子緊緊束縛，是降低 Dk/Df 最直覺且強效的方法，但此方式需注意氟化後與其他樹脂的相容性及黏著力下降問題。
• 構築非共平面與大體積基團：在單體中引入如雙環戊二烯 (DCPD)、聯苯結構 (Biphenyl)、金剛烷 (Adamantane) 或 萘環 (Naphthalene) 等立體阻礙大且對稱的非極性骨架，既能增加 Vm  降低 Dk，又能提升材料在高溫下的特性表現 (Tg、Td、CTE 等)。
• 提高交聯網絡對稱性：在合成固化劑或預聚物時，盡量選擇幾何對稱的分子設計，降低偶極矩。

 

作為配方工程師，Low Dk 的設計往往伴隨著熱學性能 (high Tg、low CTE) 與力學性能 (黏著力、韌性) 的權衡。在分子結構中精確平衡「低極性」與「強韌性」，正是展現配方實力的關鍵所在。

 

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