[发明专利]一种聚合物基复合电介质材料及平板型电容器

说明书

技术领域

本发明涉及一种电子材料及其相关电子元器件，尤其涉及的是一种可反应性核壳结构的导电纳米微粒＠绝缘层填充的聚合物基复合电介质材料以及平板型电容器装置。 

技术背景 

现有技术中，微电子工业的发展有赖于集成电路(Integral Circuit，IC)技术的进步，而电子封装技术(Electronic Packaging)的研发对于IC技术的进步具有重大意义。电子封装技术经历了分立元件封装、芯片规模和多芯片模块封装的不同发展阶段，目前已进入到系统级封装阶段。 

系统级封装技术采用低成本、大面积有机基板，其主要任务之一是将无源元件包括电容、电感和电阻以薄膜的形式封装在有机基板中。对无源器件进行整体封装不但可以节省高达70％的线路板空间，而且还可以提供更好的电学性能、更高的可靠性、更低的成本和更多的设计选择。根据NEMI(National Electronics Manufacturing Initiative)的定义，所谓整体无源器件就是其功能元件或者嵌入线路板内部，或者与线路板表面融合在一起的设置方式。 

而电容器在所有无源器件中所占的比例超过60％，内埋电容是实现系统级封装的关键技术之一。 

系统级封装要求内埋电容具有轻、薄、小的特点。这就要求电介质材料具有高的介电常数、较低的损耗、较高的耐击穿电压以及易加工等性能。同时，为了满足大规模生产需求以及与基板工艺的兼容，选择合适的电极 材料至为重要。而覆铜有机基板在系统级封装技术中具有低温共烧陶瓷等基材不可替代的优势，因此，电介质材料必须以铜箔作为上下电极，才能实现与覆铜基板工艺完全兼容。这就要求电介质材料与铜箔之间具有较强的粘合力和热稳定性。 

传统的陶瓷电介质材料，如钛酸钡等，虽然具有很高的介电常数，但是其质地较脆，缺乏柔性与弹性，且需要高温烧结，与有机基板工艺不能兼容。因此陶瓷材料不适合于作为埋入式电容的介质材料使用。 

近年来人们利用渗流效应将导电颗粒加入到聚合物中制成复合电介质材料，当导电颗粒的体积百分比含量达到渗流阈值时，可以获得异常高的介电常数。例如，将镍粉添加到聚偏氟乙烯中，得到了400的介电常数，请参见Z.M.Dang，Y.H.Lin，C.W.Nan，Adv.Mater.15，1625(2003)；将颗粒填充到环氧树脂中，介电常数提高到2000，请参见Y.Rao，C.P.Wong，J.Appl.Poly.Sci.83，1084-1090，(2002)。由于渗流阈值通常不会超过30vol.％，因而仍可以保持聚合物基材料的柔性易加工特点。然而，渗流体系存在的一个明显缺陷在于，虽然在渗流阈值附近，导体复合体系的介电常数大幅提高，然而，同时也伴随着介电损耗的增加。在以上的体系中，介电损耗一般要高于0.5，因而限制了渗流型电介质材料的实际应用价值。 

通过对粒子表面进行处理或者选择表面具有绝缘层的纳米填充物可有效控制复合材料的介电损耗。在中国专利CN101007892A中，发明者将Ag导电纳米微粒用PVP进行包覆，填充到环氧树脂中，结果使复合材料的介电性能在导电颗粒含量超过渗流阈值之后仍能保持稳定。然而，由于PVP的电导率高于环氧树脂，因此PVP包覆层导致了渗流阈值附近介电损耗的升高。 

综上所述，在维持较高导电颗粒填充量的条件下，为了获得较高的介电常数、较低的损耗以及较高耐压值，导电纳米微粒在聚合物基体中的分散性、均匀性、界面稳定性显得尤为重要。而现有技术尚无较佳的解决方案提供，因此还有待于进一步开发。 

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有表面可反应性核壳结构的导电纳米微粒绝缘层填充的聚合物基复合电介质材料及其平板型电容器，方便生产且具有较小介电损耗，适合于制成内埋电容。所述平板型电容器由表面可反应性核壳结构的导电纳米微粒绝缘层填充的聚合物基复合电介质材料充当电介质层，由柔性金属箔片充当上下电极。 

本发明的技术方案包括： 

一种可反应性纳米粒子填充的聚合物基复合电介质材料，所述纳米粒子为导电纳米微粒表面包覆一层绝缘层的核壳结构，所述核壳结构的壳层部分为SiO₂，TiO₂，ZrO₂，Al₂O₃中的一种，所述绝缘层表面携带可反应性官能团。纳米粒子通过可反应性官能团与聚合物有机地结合在一起且在聚合物基体中均匀分散。所述纳米粒子与聚合物材料的体积百分含量为：纳米粒子为10～50％，聚合物为50％～90％。