徐美玉、林志浩、陳凱琪／工研院材化所
因應5G通訊高頻應用的需求，相關材料在高頻環境下的介電特性將對通訊品質造成影響，因而帶動低介電損耗樹脂及封裝材料開發的發展趨勢。從對低損耗封裝材料商品的搜尋分析中，也看得出國際知名材料廠商積極進行低介電損耗樹脂及封裝材料開發與技術布局。工研院材料與化工研究所投入液態低介電損耗樹脂材料技術布建，開發出一系列在高頻環境下有不錯的介電常數及介電損失特性之特殊樹脂，深具應用於高頻模組封裝的潛力。
【內文精選】
前 言
高頻通訊所面臨的技術挑戰為訊號在高頻傳輸下，主要會因為傳輸路徑損失、導體損失及介質損失等，而影響訊號收發的品質。傳輸路徑損失可透過大量或巨量的天線陣列設計，提供很大的陣列天線增益來補償高頻通訊的各項傳輸損失。導體損失主要與金屬線路的粗糙度有關，通常粗糙度越大，會導致較大的導體損失，降低金屬線路表面粗糙度是降低導體損失的策略，但同時也對不同材料間的界面接著性形成挑戰。介質損失則與封裝材料或基板材料的介電特性，如介電常數(Dielectric Constant)及介電損耗(Dielectric Loss)有很大的關係，因此，開發低介電損耗的封裝材料及基板材料，將有助於降低介質損失，提升5G通訊的品質。
低介電損耗樹脂材料
當無線通訊產品進入5G新世代毫米波頻段時，為了克服由於頻率高、波長短、傳輸損耗高、穿透性差、覆蓋率較低等問題，產業界開發出大規模陣列天線技術與小型基地台，強化毫米波的能量，使用更多天線來提高訊號強度，並提高5G網路的覆蓋率。所以未來基地台或終端裝置無線通訊模組，都會搭載更多天線，連帶提高RF元件的使用量，而使得高頻應用的RF前端模組(RFFEM)構裝技術，包含天線封裝模組(AiP Module)的設計更為複雜且重要。如圖三所示，在此構裝結構中，天線負責訊號的接收與傳送，並將訊號送至下方的射頻晶片(RFChip)、功率放大器(Power Amplifier; PA)等晶片組進行信號處理，由於模封材料(MUF)位於天線與晶片組訊號傳遞的路徑上，介質損失對訊號品質造成的影響將被考慮，因此，介電損耗樹脂設計及封裝材料開發將會是重要課題。
介電損耗是指介質在電場作用下，由於介質極化(Dielectric Polarization)的弛豫過程，如圖四所示，在其內部所引起的能量損耗。也就是說在某一頻率下，外加電場供給介質的電能，其中有一部分因強迫固有偶極矩的轉動而使介質產生熱，能量以熱的形式消耗，因此介質損耗可反應微觀極化的弛豫過程，而介質中的電場減少與原外加電場(真空中)的比值即為相對介電常數(Relative Permittivity或Relative Dielectric Constant)，又稱誘電率。如果有高介電常數的材料放在電場中，電場的強度會在電介質內有可觀的下降。而根據物質的介電常數可以判別高分子材料的極性大小，通常相對介電常數大於3.6的物質為極性物質，相對介電常數在2.8~3.6範圍內的物質為弱極性物質，相對介電常數小於2.8為非極性物質。
圖四、Polarization Types of Normal Dielectric Materials
工研院材化所無溶劑型低介電損耗樹脂開發現況
在經濟部科技專案支持下，工研院材料與化工研究所近幾年來也因應5G高頻無線通訊技術發展趨勢，投入無溶劑系統之液態低介電損耗樹脂材料開發，可應用於高頻半導體液態封裝材料。開發出一系列具高頻低損耗之樹脂，其結構含有低極性碳氫化合物中心結構，如環烷烴或支鏈型碳氫鏈。但考慮碳氫化合物機械性較不足，且玻璃轉化溫度偏低問題，因此更在結構上引入剛性結構及芳香環，除了能提升機械性與玻璃轉化溫度，有效占據空間體積，並且也能維持低介電特性。另外再導入具有4個可聚合官能基之活性點的4 Arms高交聯性樹脂單體，與具有2個聚合活性點的2 Arms高反應性之樹脂單體，樹脂單體都具備有液態性質，其結構示意如圖七所示。除了具有…以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。
圖七、工研院材化所低損耗樹脂結構設計示意圖
★本文節錄自《工業材料雜誌》416期，更多資料請見下方附檔。