5G/6G通信、AI高性能计算和先进封装，对基板与互连介质的介电性能提出了远超以往的要求。传统低介电材料如聚酰亚胺、苯并环丁烯，存在介电稳定性差、固化易起泡、成本高等问题，已经难以匹配未来应用。与此同时，封装密度越高，信号延迟和串扰对介电常数（Dk）和介电损耗（Df）的敏感度就越大。高Dk意味着信号传播速度变慢，高Df意味着信号能量被消耗更多，直接劣化高频下的信号完整性。

图1、封装示意图（图源：深鸿盛电子有限公司）

目前行业普遍使用硅微粉作为封装填料，它成本低、工艺成熟，是当前基板与塑封料体系中的主流选择。但传统硅微粉的困境在于：二氧化硅本身的Dk约为3.9，要进一步压低，仅靠实心颗粒已经非常吃力。而封装材料又恰恰需要高填充量来匹配热膨胀系数、提升机械强度——介电性能与热机械性能之间，形成了一对越来越尖锐的矛盾。中空二氧化硅，正是在这个矛盾点上切入了战场。

图2、硅微粉（图源：网络）

什么是中空二氧化硅

中空二氧化硅，顾名思义，是在二氧化硅颗粒内部引入一个封闭的空腔，形成“壳+腔”结构。它的核心物理逻辑非常朴素：空气的介电常数约为1，是已知介电常数最低的“材料”之一。当二氧化硅颗粒内部被空气占据一部分体积后，颗粒的整体有效介电常数被显著拉低。专利数据表明，通过空心化，二氧化硅的介电常数可以从实心的3.9降至3以下，同时保留二氧化硅本身低热膨胀系数和热稳定性的优势。

图3、中空氧化硅SEM图像（图源：参考文献1）

这意味着中空二氧化硅不是在“牺牲热机械性能换介电性能”，而是在维持二氧化硅骨架功能的同时，额外获得了一个降低Dk的物理杠杆。对于封装材料而言，这个杠杆的价值在于：它允许在保持甚至提高填充量的前提下，把复合材料的介电常数和介电损耗同时压下去。

更关键的是，中空二氧化硅的壳层可以被设计为致密壳。这一点常被忽略，却直接决定成败：多孔壳虽然也能降低密度，但孔隙会吸附环境中的水分和极性分子，在高频电场下反而推高介电损耗。面向低介电封装应用时，追求的是“内腔含空气、壳层致密”的结构，而非简单的“多孔二氧化硅”

图4、中空氧化硅SEM细节图（图源：参考文献1）

致密结构与多孔结构的区别

这是整篇文章中最需要讲清楚、也最容易被混淆的一点。同样是“空心”，壳层致密还是多孔，在高频封装场景下的表现截然相反。

第一、多孔壳会吸湿，直接推高Df。空气的低Dk贡献依赖于空腔被封闭。如果壳层多孔，环境中的水汽和极性分子可以渗入壳壁甚至空腔。水的介电常数约为80，哪怕微量吸湿也会显著推高复合材料的介电损耗。高频场景下，Df的劣化比Dk更致命，因为它直接表现为信号衰减和发热。

图5、致密结构示意图（左）图6多孔结构示意图（右）

第二，多孔壳的孔隙本身就是缺陷源。封装材料在经历回流焊、高温高湿等可靠性测试时，孔隙会成为应力集中点和湿气通道，影响长期稳定性。

第三，多孔壳的Dk数据不能直接套用到致密壳场景。多孔结构引入的额外界面极化和吸湿效应，会使实测Dk偏离理论预期。因此，面向电子封装低介电，致密壳是底线，不是可选项。

相比传统填料的优势

1.介电常数：实心硅微粉Dk约3.9，中空二氧化硅可将Dk压至3.0以下，优化的介孔空心体系在聚酰亚胺复合膜中已做到2.27@1MHz。三时纪的中空微球产品介电常数降至2.3@10GHz，中空率可控在35~65%。

2.介电损耗：锦艺新材料中空二氧化硅微球的介电损耗已做到≤0.0003，这一指标被评估为“国际领先水平”。

图7、锦艺新材成果评估

3.热膨胀与机械可靠性：空心结构并未以牺牲热稳定性为代价。二氧化硅骨架本身低热膨胀，空心化后仍可作为调控封装材料CTE的功能填料，匹配芯片与基板的热失配。

4.密度与填充能力：空腔带来的低密度，使中空二氧化硅在需要高填充的封装体系中具有调整空间，而不必像实心填料那样在黏度和填充量之间被迫取舍。

正是这几个维度的叠加，让中空二氧化硅从“从实验室里的一种结构设想”，变成了封装材料厂商眼中有可能同时解决介电瓶颈和工艺瓶颈的候选方案。

中空二氧化硅的价值，在于用封闭空腔降低Dk、用致密壳层守住Df。结构创新恰好击中了先进封装对低介电、低损耗、高热稳定性同时到位的刚性需求。竞争的核心，已从实验室的“能不能做”，推进到产线上的“能不能稳定量产、能不能通过大厂验证”。谁先解开“致密壳+超低介电+可规模化”这个三角难题，谁就有机会在下一轮先进封装的材料清单里占据一个不容易被替代的位置。

参考文献：[1] 苏州锦艺新材料科技股份有限公司。低介电空心二氧化硅微球的制备方法：中国，ZL202010557720.3 [P].20230718

粉体圈Rui