界面工程技术使得双马来酰亚胺-三嗪复合材料具有低损耗和热稳定性，适用于高频封装及基材应用领域

基于界面工程策略，本研究通过氨基修饰二氧化硅（A-SiO?）与mBT树脂的高效共价交联，制备出具有优异高频介电性能（ε_r=3.25，tanδ=0.0028@10 GHz）和匹配铜箔热膨胀系数（18.7 ppm/°C）的复合基板，其热导率达纯mBT树脂的2.7倍，并通过微带天线阵列验证了实际应用价值。

　　

王浩|罗康|李恩柱|唐斌|袁颖

中国电子科技大学电磁辐射控制材料国家工程研究中心，成都610054，中国

摘要

为了满足5G/6G通信和毫米波雷达等高频技术对微波基板的严格要求，本研究采用界面工程策略，设计并制备了一系列由双马来酰亚胺-三嗪树脂和具有不同官能团的硅烷偶联剂改性的SiO₂组成的复合材料系统。结果表明，氨基硅烷改性的SiO₂（A-SiO₂）通过其–NH₂官能团与树脂基体发生有效的共价交联反应，形成了致密的界面结构，显著提高了复合材料的整体性能。优化后的75%质量比的A-SiO₂/mBT复合材料在10 GHz频率下表现出优异的高频特性，介电常数为3.25，介电损耗极低，仅为0.0028；其Z轴热膨胀系数（18.7 ppm/°C）与铜箔非常接近。此外，该材料的导热系数是纯mBT树脂的2.7倍，有限元模拟进一步证实了其出色的散热能力。在太赫兹频段的介电特性测试表明其具有宽带适用性，而基于该基材制造的微带贴片天线阵列在10.55 GHz频率下的增益为11.01 dBi，辐射效率为84%。这项工作为下一代高频通信基材材料的精确设计提供了理论指导。

引言

随着第五代（5G）和未来的第六代（6G）无线通信、毫米波雷达以及卫星通信技术的快速发展，现代电子系统正逐渐向更高频率、更高集成度和更强的可靠性方向发展[1]、[2]、[3]。在这种背景下，微波基板材料已成为高频应用中的关键组成部分，其性能直接决定了信号传输效率、系统稳定性和设备可靠性[4]、[5]。理想的微波基板材料必须同时满足多个要求：低介电常数（D_k）以最小化信号延迟，低介电损耗（D_f）以抑制能量损耗，以及适当的热膨胀系数（CTE），以确保在多层电路结构中与导电层（如铜箔）之间实现可靠的机械结合，从而防止由于CTE不匹配导致的热循环过程中的电路断裂或层间分层[6]、[7]、[8]。然而，传统的微波基板材料面临诸多挑战。虽然基于环氧树脂的FR-4基板与铜箔的CTE匹配性良好，但其高频介电损耗较大，导致严重的信号衰减。另一方面，广泛用于高性能微波基板的聚四氟乙烯（PTFE）基复合材料虽然具有优异的介电性能，但通常CTE过高，与铜箔的兼容性较差，加工性能也不理想[9]、[10]。这些限制严重阻碍了先进微波设备在高频和高速应用中的部署，因此需要开发能够同时优化高频介电性能和与铜箔CTE匹配的新型基板材料。

在过去十年中，基于聚合物的复合材料由于其轻质、可加工性和成本优势而成为有前景的选择[11]、[12]。其中，双马来酰亚胺-三嗪（BT）树脂因其优异的热稳定性、机械强度和平衡的介电性能而特别受到关注[13]。然而，纯BT树脂的CTE仍显著高于铜箔，其高频D_f值也需要进一步降低[14]。将功能性无机填料引入树脂基体是一种有效的改性策略[15]。刚性无机填料可以有效限制聚合物分子链的热运动，从而显著降低复合材料的CTE[16]。同时，选择具有优良介电性能的填料可以调节和优化复合材料的高频介电特性[17]。常用的微波复合基板填料包括TiO₂、SiO₂、氧化石墨烯（GO）、氮化硼（BN）和碳纳米管（CNTs）。然而，TiO₂会显著提高复合材料的D_k值，导致信号延迟[18]。BN虽然具有极低的损耗，但成本高昂且树脂润湿性差，限制了填料的加载量；GO和CNTs虽然能增强机械性能，但由于固有的导电性而降低了绝缘性能[19]、[20]。相比之下，SiO₂具有极低的内禀CTE。将SiO₂引入聚合物基体可以有效限制聚合物链的运动，从而降低复合材料的整体热膨胀[22]。此外，SiO₂在高频下的D_k值和D_f值都很低，且成本低廉，具有良好的工业可扩展性[23]。因此，将SiO₂填充到BT树脂中是一种同时优化介电性能和降低CTE的可行策略。值得注意的是，陶瓷填料与树脂基体之间的界面兼容性较差时，常常会导致填料团聚和界面缺陷[24]。为了解决这个问题，硅烷偶联剂被广泛用于陶瓷颗粒的表面改性。它们的分子结构可以连接无机填料和树脂，通过化学键合改善界面粘附性[25]、[26]。不同类型的硅烷偶联剂的有机官能团的化学性质差异很大，这直接决定了改性SiO₂与BT树脂之间界面的键合强度和相互作用。这些界面特性不仅影响SiO₂的分散性，还影响复合材料的高频介电松弛行为和热机械性能[27]、[28]。因此，阐明不同官能团硅烷偶联剂构建的界面相互作用与SiO₂/BT复合材料的高频介电和热机械性能之间的结构-性能关系对于微波基材的精确设计至关重要。

基于我们之前开发的高性能改性BT树脂（mBT）系统[29]，本研究合成了多种硅烷偶联剂改性的SiO₂颗粒，并系统地研究了它们对mBT介电性能的影响。由于氨基与mBT之间的深度交联反应，氨基丙基三乙氧基硅烷（APTES）改性的SiO₂（A-SiO₂）表现出其他改性剂所不具备的优势。75%质量比的A-SiO₂/mBT复合材料在10 GHz频率下表现出优异的介电性能（D_k：3.25，D_f：0.0028）。此外，该复合基材的Z轴CTE（18.7 ppm/°C）比纯mBT降低了91%，接近铜箔的水平，同时保持了较高的弯曲强度、低吸水率和优异的导热性。最后，为了评估75%质量比A-SiO₂/mBT复合基板的应用潜力，设计并制造了一个贴片天线。仿真和实验结果均证实了其优异的性能。总体而言，本文开发的75%质量比A-SiO₂/mBT复合材料是下一代高频通信设备的理想候选基材。

材料

双马来酰亚胺（BMI）和二烯丙基双酚A（DBA）购自日本大和化成株式会社。双酚A氰酸酯预聚物（CE）、端官能化的聚苯氧化物（PPO）、球形二氧化硅（平均粒径：5 μm）以及硅烷偶联剂（包括3-氨基丙基）三乙氧基硅烷（APTES）、（3-缩水甘油氧基丙基）三甲氧基硅烷（GPTMS）、苯基三甲氧基硅烷（PTMS）和乙烯基三甲氧基硅烷（VTMS）购自中国天奇新材料有限公司

结果与讨论

为了系统地阐明SiO₂粉末的改性效果和结构特性，首先对原始SiO₂和四种改性SiO₂样品进行了全面表征。图1a展示了四种改性SiO₂样品（分别表示为A-SiO₂、G-SiO₂、P-SiO₂和V-SiO₂）的分子结构，表明成功地在SiO₂框架上引入了不同的官能团以调整表面性质。最初使用XRD进行分析

结论

总结来说，本研究通过分子级别的界面工程，特别是利用氨基改性的SiO₂（A-SiO₂），显著提高了基于mBT树脂的复合材料的整体性能。研究表明，A-SiO₂表面的氨基官能团与mBT树脂形成了强共价键，从而构建了致密的交联网络和优异的界面粘附性。这不仅有效优化了复合材料的介电响应

CRediT作者贡献声明

王浩：撰写——初稿，概念构思。罗康：实验研究。李恩柱：数据分析。唐斌：监督指导。袁颖：撰写——审稿与编辑，资源获取，资金申请。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。