CN102950852A - 一种超材料介质基板材料及其加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种超材料介质基板及其加工方法，包括以下步骤：S1.对聚四氟乙烯膜进行亲水处理；S2.预制备介孔，将聚四氟乙烯膜取出烘干后，浸泡在十六烷基三甲基溴化铵、盐酸、乙醇和水的混合溶液中，在聚四氟乙烯膜内生成十六烷基三甲基溴化铵胶束；S3.制备二氧化硅-聚四氟乙烯杂化膜；S4.除去二氧化硅-聚四氟乙烯杂化膜模板，将其疏水改性；S5.制备裸板，将2层二氧化硅-聚四氟乙烯杂化膜中间夹入聚四氟乙烯膜，形成叠加膜，将2层叠加膜固定，得到超材料介质基板材料。通过应用本发明的超材料介质基板及其加工方法，可以进一步降低超材料介质基板材料的介电常数，增强超材料介质基板材料的力学性能，具有良好的开发与应用前景。

Description

一种超材料介质基板材料及其加工方法

【技术领域】

本发明涉及超材料领域，具体地涉及一种超材料的介质基板材料及其加工方法。

【背景技术】

超材料一般由多个超材料功能板层叠或按其他规律阵列组合而成，超材料功能板包括介质基板以及阵列在介质基板上的多个人造微结构，现有超材料的介质基板为均一材质的有机或无机基板，如FR4、TP1等等。阵列在介质基板上的多个人造微结构具有特定的电磁特性，能对电场或磁场产生电磁响应，通过对人造微结构的结构和排列规律进行精确设计和控制，可以使超材料呈现出各种一般材料所不具有的电磁特性，如能汇聚、发散和偏折电磁波等。

目前已经商品化的高频基板主要有三大类：聚四氟乙烯(PTFE)基板、热固性聚苯醚(Polyphenyl Oxide)、交链聚丁二烯基板和环氧树脂复合基板(FR-4)。其中聚四氟乙烯基板的介电常数为2.1-10.6，而环氧树脂复合基板的介电常数为4.2-5.4，从组成与结构、制备方法和介电性能等方面考虑，低介电常数材料主要分为无机材料、有机材料、无机/有机复合相为基体的低介电常数材料。有机低介电常数材料种类繁多，性质各异，其中以聚合物低介电常数材料居多，如聚酰亚胺、聚苯醚、聚乙烯等。有机材料由于材料本身构成分子的规整性好，材料的介电常数都很低，但缺点是一般有机物不耐高温，与金属粘附力不够。比较典型的无机低介电常数材料有无定形碳氮薄膜、多晶硼氮薄膜、氟硅玻璃等。

氧化硅材料具有良好的化学稳定性和热稳定性，与硅基板具有较好的相容性，因此在众多低介电常数材料中是最具发展前景的。氧化硅多孔材料因具有更低的介电常数，在超材料介质基板中获得了广泛关注。聚四氟乙烯因具有良好的机械强度、低的介电常数和较高的玻璃化转变温度，被认为是一种理想的低介电常数材料。有机/无机复合多孔低介电常数材料综合了有机、无机材料的优点。聚四氟乙烯具有低的介电常数为2.1-10.6，已经被应用于超材料中作为基板，通过在这种基体材料中引入孔隙的方法可以进一步降低介电常数。因此，将聚四氟乙烯膜与介孔二氧化硅复合出的材料具有较低的介电常数，同时具有较好的力学性能，具有很好的开发应用前景。

综上所述，传统基板材料已不能满足集成电路工艺发展的要求，特别是伴随着芯片的高速化，布线图形对传输信号的延迟问题变得越来越严重。这种信号延迟与布线图形周围基板材料的介电常数密切相关，介电常数越大，延迟时间越长，因此开发一种介电常数低、与金属粘附力强、具有优越力学性能的基板材料势在必行。

【发明内容】

本发明所要解决的技术问题是提供一种超材料的介质基板材料及其加工方法，通过此方法加工的超材料的介质基板材料具有介电常数低、与金属粘附力强、力学性能优越的特点，这种材料对于集成电路工艺的发展具有重要意义，拥有良好的开发与应用前景。

本发明实现发明目的首先提供一种超材料的介质基板材料及其加工方法，包括以下步骤：

S1.对聚四氟乙烯膜进行亲水处理，将聚四氟乙烯膜浸泡在异丙醇、水和聚乙二醇辛基苯基醚的混合溶液中；

S2.预制备介孔，将聚四氟乙烯膜取出烘干后，浸泡在十六烷基三甲基溴化铵、盐酸、乙醇和水的混合溶液中，在聚四氟乙烯膜内生成十六烷基三甲基溴化铵胶束；

S3.制备二氧化硅-聚四氟乙烯杂化膜，将上述预制好介孔的聚四氟乙烯膜取出烘干，置于装有正硅酸乙酯的密封罐中，形成二氧化硅-聚四氟乙烯杂化膜；

S4.除去二氧化硅-聚四氟乙烯杂化膜模板，将其疏水改性；

S5.制备裸板，将2层二氧化硅-聚四氟乙烯杂化膜中间夹入聚四氟乙烯膜，形成叠加膜，将2层叠加膜固定，得到超材料介质基板材料。

作为具体实施方式，聚四氟乙烯膜的厚度为35-100μm，孔径为0.1-5μm。

作为具体实施方式，配制异丙醇、水和聚乙二醇辛基苯基醚混合溶液的摩尔比为：异丙醇∶水∶聚乙二醇辛基苯基醚＝(1-4)∶(0.7-1)∶(0.3-0.5)。

作为具体实施方式，配制十六烷基三甲基溴化铵、盐酸、乙醇和水混合溶液的摩尔比为：盐酸∶十六烷基三甲基溴化铵∶乙醇∶水＝(1-2)∶(0.5-1)∶(50-100)∶(100-150)。

作为具体实施方式，装有正硅酸乙酯的密封罐的温度应控制在80-120℃，密封时间应控制在3-6小时。

作为具体实施方式，将二氧化硅-聚四氟乙烯杂化膜浸入无水乙醇溶液中去除模板。

作为具体实施方式，将二氧化硅-聚四氟乙烯杂化膜浸入四甲基硅氧烷溶液中使其疏水改性。

作为具体实施方式，将二氧化硅-聚四氟乙烯杂化膜浸入硅烷偶联剂中使其疏水改性。

作为具体实施方式，将2-3层叠加膜固定，形成半固化片。

作为具体实施方式，将3层叠加膜热压固定，热压温度控制在100-150℃。

作为具体实施方式，将3层夹入聚四氟乙烯膜的二氧化硅-聚四氟乙烯杂化膜粘合固定。

一种超材料，包括至少一个超材料功能板，超材料功能板由介质基板以及阵列在介质基板上的多个人造微结构组成，介质基板由上述超材料的介质基板材料加工方法制得。

通过应用本发明的超材料介质基板材料及其加工方法，可以有效降低基板材料的介电常数和损耗，增强基板材料的力学性能，对于集成电路工艺的发展具有重要意义。

【附图说明】

图1，超材料介质基板材料的加工方法流程图。

图2，叠加膜的结构示意图。

图3，裸板的结构示意图。

图中，100为叠加膜，11为二氧化硅-聚四氟乙烯杂化膜，12为聚四氟乙烯膜。

【具体实施方式】

下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。

实施例1

附图1示出了超材料介质基板材料的加工方法流程图，图2为叠加膜100的结构示意图，其中11为二氧化硅-聚四氟乙烯杂化膜，12为未经任何处理的聚四氟乙烯膜，图3为裸板结构示意图。

本实施例的加工方法如下：

S1.对聚四氟乙烯膜进行亲水处理，将厚度为35μm、孔径为1μm的聚四氟乙烯膜浸泡在异丙醇、水和聚乙二醇辛基苯基醚的混合溶液中，异丙醇、水和聚乙二醇辛基苯基醚的摩尔比为4∶0.7∶0.3；

S2.预制备介孔，将聚四氟乙烯膜取出烘干后，浸泡在十六烷基三甲基溴化铵、盐酸、乙醇和水的混合溶液中，十六烷基三甲基溴化铵、盐酸、乙醇和水混合溶液的摩尔比为1.5∶0.75∶50∶100，在聚四氟乙烯膜内生成十六烷基三甲基溴化铵胶束；

S3.制备二氧化硅-聚四氟乙烯杂化膜，将上述预制好介孔的聚四氟乙烯膜取出烘干，置于装有正硅酸乙酯的密封罐中，温度控制在90℃，时间控制在4小时，正硅酸乙酯发生水解、缩聚反应，形成二氧化硅-聚四氟乙烯杂化膜；

S4.将二氧化硅-聚四氟乙烯杂化膜浸入无水乙醇溶液中去除模板，再将其浸入四甲基硅氧烷中疏水改性；

S5.制备裸板，将2层二氧化硅-聚四氟乙烯杂化膜中间夹入未经任何处理的聚四氟乙烯膜，形成叠加膜，将3层叠加膜热压，热压温度控制在130℃，得到超材料介质基板材料。

应当理解，本实施例中，将3层夹入聚四氟乙烯膜的二氧化硅-聚四氟乙烯杂化膜热压成型，是为了增加介质基板材料的厚度，增强其力学性能。

实施例2

有时候，为了使加工超材料介质基板材料的方法更加灵活，加工条件更低，加工过程更容易控制，可以采用如下方法：

S1.对聚四氟乙烯膜进行亲水处理，将厚度为50μm、孔径为0.5μm的聚四氟乙烯膜浸泡在异丙醇、水和聚乙二醇辛基苯基醚的混合溶液中，异丙醇、水和聚乙二醇辛基苯基醚的摩尔比为2∶0.8∶0.4；

S2.预制备介孔，将聚四氟乙烯膜取出烘干后，浸泡在十六烷基三甲基溴化铵、盐酸、乙醇和水的混合溶液中，十六烷基三甲基溴化铵、盐酸、乙醇和水混合溶液的摩尔比为1∶0.8∶75∶130，在聚四氟乙烯膜内生成十六烷基三甲基溴化铵胶束；

S3.制备二氧化硅-聚四氟乙烯杂化膜，将上述预制好介孔的聚四氟乙烯膜取出烘干，置于装有正硅酸乙酯的密封罐中，温度控制在85℃，时间控制在3小时，正硅酸乙酯发生水解、缩聚反应，形成二氧化硅-聚四氟乙烯杂化膜；

S4.将二氧化硅-聚四氟乙烯杂化膜浸入无水乙醇溶液中去除模板，再将其浸入硅烷偶联剂中疏水改性；

S5.制备裸板，将2层二氧化硅-聚四氟乙烯杂化膜中间夹入聚四氟乙烯膜，形成叠加膜，将2层叠加膜热压，热压温度控制在100℃，得到超材料介质基板材料。

上述实施例加工超材料介质基板材料的方法简单，加工条件要求不高，易于实现。同时，将具有低介电常数的聚四氟乙烯膜与具有低介电常数的介孔二氧化硅复合加工成超材料介质基板材料，明显降低了超材料介质基板材料的介电常数，介质基板材料是由多层膜复合而成，增加了介质基板材料的厚度，增强了介质基板材料的力学性能，具有良好的发展前景。

本发明中的上述实施例仅作了示范性描述，本领域技术人员在阅读本专利申请后可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下对本发明进行各种修改。

Claims (12)

1.一种超材料介质基板材料的加工方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1.将聚四氟乙烯膜浸泡在异丙醇、水和聚乙二醇辛基苯基醚的混合溶液中，对聚四氟乙烯膜进行亲水处理；

S2.预制备介孔，将聚四氟乙烯膜取出烘干后，浸泡在十六烷基三甲基溴化铵、盐酸、乙醇和水的混合溶液中，在聚四氟乙烯膜内生成十六烷基三甲基溴化铵胶束；

S3.制备二氧化硅-聚四氟乙烯杂化膜，将上述预制好介孔的聚四氟乙烯膜取出烘干，置于装有正硅酸乙酯的密封罐中，形成二氧化硅-聚四氟乙烯杂化膜；

S4.除去二氧化硅-聚四氟乙烯杂化膜模板，将其疏水改性；

S5.制备裸板，将2层二氧化硅-聚四氟乙烯杂化膜中间夹入聚四氟乙烯膜，形成叠加膜，将2层叠加膜固定，得到超材料介质基板材料。

2.根据权利要求1所述的超材料介质基板材料的加工方法，其特征在于，所述步骤S1中，所述聚四氟乙烯膜的厚度为35-100μm，孔径为0.1-5μm。

3.根据权利要求1所述的超材料介质基板材料的加工方法，其特征在于，所述步骤S1中，配制所述异丙醇、水和聚乙二醇辛基苯基醚混合溶液的摩尔比为：异丙醇∶水∶聚乙二醇辛基苯基醚＝(1-4)∶(0.7-1)∶(0.3-0.5)。

4.根据权利要求1所述的超材料介质基板材料的加工方法，其特征在于，所述步骤S2中，配制所述十六烷基三甲基溴化铵、盐酸、乙醇和水混合溶液的摩尔比为：盐酸∶十六烷基三甲基溴化铵∶乙醇∶水＝(1-2)∶(0.5-1)∶(50-100)∶(100-150)。

5.根据权利要求1所述的超材料介质基板材料的加工方法，其特征在于，所述步骤S3中，所述装有正硅酸乙酯的密封罐的温度应控制在80-120℃，密封时间应控制在3-6小时。

6.根据权利要求1所述的超材料介质基板材料的加工方法，其特征在于，所述步骤S4中，将所述二氧化硅-聚四氟乙烯杂化膜浸入无水乙醇溶液中去除模板。

7.根据权利要求1所述的超材料介质基板材料的加工方法，其特征在于，所述步骤S4中，将所述二氧化硅-聚四氟乙烯杂化膜浸入四甲基硅氧烷溶液中使其疏水改性。

8.根据权利要求1所述的超材料介质基板材料的加工方法，其特征在于，所述步骤S4中，将所述二氧化硅-聚四氟乙烯杂化膜浸入硅烷偶联剂中使其疏水改性。

9.根据权利要求1所述的超材料介质基板材料的加工方法，其特征在于，所述步骤S5中，将2-3层所述叠加膜固定，形成裸板。

10.根据权利要求1所述的超材料介质基板材料的加工方法，其特征在于，所述步骤S5中，将3层所述叠加膜热压固定，热压温度控制在100-150℃。

11.根据权利要求1所述的超材料介质基板材料的加工方法，其特征在于，所述步骤S5中，将3层所述叠加膜粘合固定。

12.一种超材料，包括至少一个超材料功能板，所述超材料功能板由介质基板以及阵列在介质基板上的多个人造微结构组成，其特征在于，所述介质基板为二氧化硅-聚四氟乙烯薄膜材料，所述二氧化硅-聚四氟乙烯薄膜材料由权利要求1-11任一项所述的超材料的介质基板材料加工方法制得。

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