随着电子信息技术的高速发展，集成电路密集度与导体连线数目不断增加，进而导致的电阻电容延迟（RC delay）严重影响芯片的运算速度。电路信号传输速度通常取决于寄生电阻与寄生电容二者乘积。为了解决RC delay的问题，通常来讲必须降低寄生电阻（铜互连代替铝互连）以及寄生电容。而寄生电容正比于电路层隔绝介质的介电常数k，因而开发新型低介电材料（k<3）作为不同电路层的隔绝层介质，可有效减小寄生电容，并有效降低RC信号延迟，提高器件工作频率。
另外，由于电子信息器件的多样化和复杂性，具备3D打印（通过逐层打印的方式来构造物体的技术）特性的低介电复合材料树脂尤其重要，目前，基于立体光刻成型（SLA）的3D打印商业材料通常是甲基丙烯酸酯基树脂，而其介电性能、热稳定性、韧性等均已不满足目前的技术需求。
经过多年的攻关研究，陈玉伟等研究人员近期报道了一种用于SLA印刷电路板的低介电常数POSS/树脂复合材料。首先通过引入甲基丙烯酸得到端接甲基丙烯酸酯双酚A环氧树脂（MEP），然后通过加入不同质量分数的甲基丙烯酰基丙基笼多面体倍半硅氧烷（POSS）即可有效改善MEP/POSS复合材料的综合性能（图1）。研究表明，当质量分数为30 wt% POSS加入后，MEP/POSS复合材料的介电常数低至2.68，MEP/POSS复合材料的Td5（样品质量损失5 %的温度）超过320 ℃，表明其具有良好的热稳定性。此外，MEP/POSS复合材料的粘度在2.05-2.40 Pa·s之间，也是一种优良的3D打印树脂。
图1. POSS/MEP树脂复合材料制备，（A）端接甲基丙烯酸酯双酚A环氧树脂（MEP）的合成，（B）POSS/MEP复合材料UV固化过程。
随后将MEP/POSS复合树脂材料通过立体光刻（SLA）打印电路板衬底，然后与铜电极装配得到平板叉指电极电容器。此外，将MEP/POSS复合树脂材料通过立体光刻（SLA）打印得到形状复杂的城堡模型（图2A）。重要的是，由于POSS具有笼型的纳米孔结构，通过改变POSS的负载来调节POSS/MEP复合材料的介电性能（图2B、C）。当加入质量分数为30 wt%POSS后，MEP/POSS复合材料的介电常数低至2.68，介电损耗低于0.08。
图2. （A）平板叉指电极电容器和3D打印模型，（B、C）POSS/MEP复合材料的介电常数和介电损耗。
本项研究以“Rational design of POSS containing low dielectric resin for SLA printing electronic circuit plate composites”为题发表在复合材料领域TOP期刊Composites science and Technology上（DOI: 10.1016/j.compscitech.2022.109403），第一作者为青岛科技大学高分子科学与工程学院硕士研究生胡振东，通讯作者为青年学者陈玉伟，共同作者由张建明教授、刘学清教授、强哲教授、付堃教授等多位科学家及参与该研究的研究生组成，此研究工作得到了江汉大学光电化学材料与器件教育部重点实验室开放基金项目（JDGD-202001）、橡塑材料重点实验室开放基金、教育部/山东省橡胶塑料重点实验室（KF2020002）和国家自然科学基金（51803103）等多项基金的支持。
