近日，西安交通大學(xué)周迪研究團(tuán)隊(duì)在《絕緣材料》發(fā)表題為《面向5G/6G無線通信和先進(jìn)封裝技術(shù)的低介電常數(shù)無機(jī)電介質(zhì)材料研究進(jìn)展》的綜述論文。文章圍繞5G/6G無線通信、高頻高速封裝等應(yīng)用需求，系統(tǒng)總結(jié)了低介電常數(shù)無機(jī)電介質(zhì)材料的發(fā)展現(xiàn)狀、關(guān)鍵技術(shù)路線及未來趨勢，并探討了機(jī)器學(xué)習(xí)在材料研發(fā)中的應(yīng)用，為新一代電子封裝材料的發(fā)展提供了參考。
隨著5G、6G通信技術(shù)不斷向毫米波乃至太赫茲頻段演進(jìn)，高速信號傳輸過程中產(chǎn)生的延遲和損耗問題愈發(fā)突出。理論研究表明，降低介電常數(shù)是減少信號傳播延遲、提升傳輸效率的有效途徑。
與此同時，高溫共燒陶瓷（HTCC）和低溫共燒陶瓷（LTCC）等先進(jìn)封裝技術(shù)不斷發(fā)展，對絕緣介質(zhì)材料提出了低介電常數(shù)、低介電損耗、高可靠性以及良好導(dǎo)熱性能等更高要求。然而，目前新材料開發(fā)仍主要依賴經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)與反復(fù)試驗(yàn)，研發(fā)周期較長、成本較高，因此亟需新的材料設(shè)計(jì)方法加速創(chuàng)新。
文章指出，HTCC技術(shù)燒結(jié)溫度通常高于1200℃，適用于高功率、高可靠性電子器件封裝。目前應(yīng)用較為成熟的材料主要包括三類。
首先是氧化鋁陶瓷。作為目前最成熟的商業(yè)化HTCC材料，其工藝成熟、綜合性能穩(wěn)定。例如京瓷AO800材料抗彎強(qiáng)度可達(dá)740 MPa，介電常數(shù)約為9.4。
其次是氮化鋁陶瓷。該材料兼具較低介電常數(shù)和優(yōu)異導(dǎo)熱性能，理論熱導(dǎo)率可達(dá)到320 W/(m·K)，通過Y?O?等燒結(jié)助劑優(yōu)化后，實(shí)際熱導(dǎo)率已突破200 W/(m·K)，廣泛應(yīng)用于高功率器件散熱封裝。
此外，硅基陶瓷（如堇青石）憑借介電常數(shù)低至4.59、品質(zhì)因數(shù)高達(dá)數(shù)十萬GHz等優(yōu)勢，成為毫米波通信和高頻封裝的重要候選材料。
相比HTCC，LTCC技術(shù)燒結(jié)溫度低于950℃，可采用銀、銅等高電導(dǎo)率金屬電極，有效降低導(dǎo)體損耗，更適用于高頻通信器件和高密度集成封裝。
論文將LTCC/ULTCC材料歸納為三類。
一是本征低燒結(jié)陶瓷，包括鉬酸鹽、偏磷酸鹽等體系。這類材料燒結(jié)溫度最低可降至625℃，介電常數(shù)僅為4.5～6，無需添加燒結(jié)助劑，能夠保持較高的材料純度和優(yōu)異的介電性能。
二是助燒劑降溫?zé)Y(jié)陶瓷。以鎂橄欖石等材料為代表，通過添加LiF等燒結(jié)助劑，可將燒結(jié)溫度由1400℃以上降低至900℃以下，實(shí)現(xiàn)與低熔點(diǎn)電極材料的兼容。
三是玻璃-陶瓷復(fù)合材料及微晶玻璃。目前已實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，代表產(chǎn)品包括杜邦951和Ferro M7等。其中，F(xiàn)erro M7抗彎強(qiáng)度達(dá)到294 MPa，熱導(dǎo)率達(dá)到5.2 W/(m·K)，綜合性能較傳統(tǒng)產(chǎn)品進(jìn)一步提升。
論文還重點(diǎn)介紹了機(jī)器學(xué)習(xí)在低介電材料研發(fā)中的應(yīng)用前景。
研究指出，通過整合文獻(xiàn)數(shù)據(jù)庫、理論計(jì)算以及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，可建立材料性能預(yù)測模型，實(shí)現(xiàn)對海量候選材料的快速篩選，大幅縮短研發(fā)周期。目前，機(jī)器學(xué)習(xí)模型在介電常數(shù)預(yù)測中的決定系數(shù)（R2）已達(dá)到0.86，品質(zhì)因數(shù)預(yù)測誤差降低約25%；在堇青石體系中，還成功實(shí)現(xiàn)了近零溫度頻率系數(shù)（TCF，約1.99×10??/℃）的優(yōu)化設(shè)計(jì)。
不過，研究團(tuán)隊(duì)也認(rèn)為，機(jī)器學(xué)習(xí)仍面臨數(shù)據(jù)質(zhì)量不足、模型可解釋性有限等挑戰(zhàn)，未來需要結(jié)合微觀結(jié)構(gòu)描述符，建立多尺度模型，實(shí)現(xiàn)理論計(jì)算、機(jī)器學(xué)習(xí)預(yù)測和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的協(xié)同迭代。
對于未來發(fā)展方向，研究團(tuán)隊(duì)提出了四方面展望。
一是推動HTCC材料向高強(qiáng)度、高導(dǎo)熱、低介電常數(shù)等綜合性能協(xié)同優(yōu)化方向發(fā)展，實(shí)現(xiàn)粉體材料的精細(xì)化和定制化設(shè)計(jì)。
二是進(jìn)一步優(yōu)化LTCC材料體系，通過引入高導(dǎo)熱相、構(gòu)建超低介電微結(jié)構(gòu)等方式，提高熱導(dǎo)率并降低高頻介電損耗。
三是加快本征低燒結(jié)溫度陶瓷的工程化應(yīng)用，發(fā)揮其純凈相組成和優(yōu)異介電性能優(yōu)勢，突破現(xiàn)有玻璃-陶瓷體系的性能瓶頸，成為下一代高性能LTCC材料的重要發(fā)展方向。
四是深入推進(jìn)機(jī)器學(xué)習(xí)輔助材料設(shè)計(jì)，構(gòu)建“理論計(jì)算—機(jī)器學(xué)習(xí)預(yù)測—實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證”的研發(fā)閉環(huán)，加速低介電無機(jī)電介質(zhì)材料從實(shí)驗(yàn)室研究走向產(chǎn)業(yè)應(yīng)用。
參考信息：本文部分素材和圖片來自網(wǎng)絡(luò)公開信息，本平臺發(fā)布僅為了傳達(dá)一種不同觀點(diǎn)，不代表對該觀點(diǎn)贊同或支持。如果有任何問題，請聯(lián)系 19045661526（同微信）。
