龐子博 楊東海 馬春喜 張志鵬

(中國電子科技集團(tuán)公司第四十六研究所，天津，300220)

聚四氟乙烯(PTFE)具有優(yōu)異的化學(xué)惰性、耐候性、熱穩(wěn)定性、難燃性、不黏性和自潤滑性[1]。而且PTFE具有已知樹脂中最低的相對介電常數(shù)(εr為1.800～2.200)，并且其損耗因子小于0.000 50、體積電阻高達(dá)1018Ω·cm、表面電阻大于1016Ω[2-4]。因此，通常選用PTFE樹脂作為低介低損基板的基材。然而，PTFE存在以下缺點(diǎn)：a) 熔點(diǎn)高且黏度大，熔融時(shí)需要加很大的壓力才能勉強(qiáng)使其微微流動(dòng)；b) 質(zhì)地較軟、力學(xué)性能較差；c) 和銅箔的線膨脹系數(shù)相差較大，制成印制電路板后尺寸漲縮較大[5-8]。因此，基于PTFE樹脂的基板難以加工成型，對設(shè)備和工藝的要求較高。

美國多家企業(yè)已開發(fā)出多款低介低損基板產(chǎn)品并得到廣泛的應(yīng)用，例如美國Rogers公司的RT/duroid 5000系列、DiClad系列、CuClad系列等產(chǎn)品，它們均具有小于2.700的相對介電常數(shù)和小于0.002 00的損耗因子，已廣泛應(yīng)用于天線、濾波器、調(diào)制器、混頻器等組件的研制[9-13]。

下面以1037型玻璃纖維布增強(qiáng)PTFE浸漬片、PTFE薄膜和銅箔等為原料，通過改變原料比例，采用相同熱壓燒結(jié)程序制得了介質(zhì)層厚度約0.250 mm、相對介電常數(shù)2.120～2.540、損耗因子不大于0.001 40的一系列基板，數(shù)據(jù)擬合后發(fā)現(xiàn)，復(fù)合基板介質(zhì)層相對介電常數(shù)與原料體積分?jǐn)?shù)之間的關(guān)系符合Lichtenecker對數(shù)法則。

1 試驗(yàn)部分

1.1 主要原料及儀器設(shè)備

1037型玻璃纖維布增強(qiáng)PTFE浸漬片(以下簡稱“1037布浸漬片”)，單位面積質(zhì)量為58 g/m2，自制；PTFE薄膜，厚度為25 μm，上海華爾卡氟塑料制品有限公司；電解銅箔，厚度為35 μm，THE，山東金寶電子股份有限公司。

真空層壓機(jī)，VLP-150，活全機(jī)器股份有限公司；網(wǎng)絡(luò)分析儀，N5230C，安捷倫科技有限公司；帶狀線法測試夾具，自制；數(shù)顯外徑千分尺，340-521，三豐量具中國有限公司。

1.2 復(fù)合基板介質(zhì)層層疊結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

由于PTFE即使被加熱到熔點(diǎn)之上其流動(dòng)性也很差，并且層壓后1037布浸漬片和PTFE薄膜厚度均為25 μm左右，因此在設(shè)計(jì)介質(zhì)層目標(biāo)厚度約為0.250 mm的復(fù)合基板時(shí)，可將介質(zhì)層視為由10層厚度為25 μm的料片疊合層壓而成。為了提高銅箔的抗剝強(qiáng)度和層間結(jié)合強(qiáng)度，將這10層料片中靠近銅箔的2層確定為PTFE薄膜，剩下的8層中1037布浸漬片層數(shù)不少于2層。圖1為復(fù)合基板介質(zhì)層層疊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)示意。

為了在介質(zhì)層層疊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中便于標(biāo)記和容易理解，約定簡記規(guī)則如下：1) 將1037布浸漬片用字母A簡記，將PTFE薄膜用字母B簡記；2) 10層料片自上而下的層疊順序用簡記字母從左往右依次標(biāo)記；3) 當(dāng)鄰近的幾層是相同材質(zhì)料片時(shí)，相同材質(zhì)料片的層數(shù)用下標(biāo)表示。例如，10層料片中間8層均為1037布浸漬片時(shí)，介質(zhì)層層疊結(jié)構(gòu)可簡記為BA8B。

在設(shè)計(jì)復(fù)合基板介質(zhì)層層疊結(jié)構(gòu)時(shí)，一般要使層疊結(jié)構(gòu)具有較高的對稱性。應(yīng)盡量使料片對稱分布，不對稱的部分盡量分布在中部。例如，10層料片中間有7層為1037布浸漬片、1層是PTFE薄膜時(shí)，層疊結(jié)構(gòu)應(yīng)設(shè)計(jì)為BA3BA4B。表1中列出了所有可能的介質(zhì)層層疊結(jié)構(gòu)及1037布浸漬片的體積分?jǐn)?shù)。

表1 0.250 mm基板的介質(zhì)層層疊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.3 料片的多層疊合與層壓

圖2為料片疊合與層壓工藝流程。

首先將1037布浸漬片和PTFE薄膜裁切成尺寸為200 mm×200 mm的薄片。按表1的層疊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，將裁切好的1037布浸漬片和PTFE薄膜依次進(jìn)行疊合，并在其上下表面分別覆蓋銅箔，將層疊好的材料置于兩張鏡面鋼板之間，放入真空層壓機(jī)中，升溫速率3 ℃/min，最高溫度375 ℃，壓力5 MPa，保溫時(shí)間3 h，降溫速率1 ℃/min[14]。冷卻至25 ℃，得到復(fù)合基板。

1.4 測試與表征

介電性能測試按照GB/T 12636—1990進(jìn)行，頻率范圍1～20 GHz。

厚度測試：選距離基板邊緣(20±5) mm的一角和邊的厚度，各測量3次，取平均值。

2 結(jié)果與討論

2.1 復(fù)合基板的介電性能

表2為復(fù)合基板介質(zhì)層厚度與介電性能。

表2 復(fù)合基板介質(zhì)層厚度與介電性能

由表2可以看出：7種層疊結(jié)構(gòu)的介質(zhì)層厚度為0.252～0.259 mm，符合要求(厚度約0.250 mm)；7種層疊結(jié)構(gòu)的相對介電常數(shù)為2.127～2.538，且隨著1037布浸漬片使用比例的提高而增大；7種層疊結(jié)構(gòu)的損耗因子為0.000 26～0.001 18，均低于0.002 00。

2.2 Lichtenecker對數(shù)法則及數(shù)據(jù)擬合結(jié)果

復(fù)合材料相對介電常數(shù)的理論模型及經(jīng)驗(yàn)擬合公式較多，如Lichtenecker對數(shù)法則、Jayasundere-Smith模型、Maxwell-Wagner模型和Bruggeman方程等。其中，Lichtenecker對數(shù)法則如公式(1)所示：

(1)

公式(1)中：εr為復(fù)合材料的相對介電常數(shù)；εri為各組分的相對介電常數(shù)；Vi為各組分的體積分?jǐn)?shù)，%。

復(fù)合基板介質(zhì)層中只有1037型玻璃纖維布和PTFE樹脂兩種原料，為了便于計(jì)算，也可以將兩種原料視為1037布浸漬片和PTFE薄膜，于是可以將公式(1)改寫成：

ln(εr)= [ln(εrA)-ln(εrB)]VA+ ln(εrB)

(2)

公式(2)中：εr為復(fù)合基板介質(zhì)層的相對介電常數(shù)；VA為1037布浸漬片的體積分?jǐn)?shù)，%；εrA和εrB分別為1037布浸漬片和PTFE薄膜的相對介電常數(shù)。

將復(fù)合基板介質(zhì)層的相對介電常數(shù)取自然對數(shù)(如表2所示)，并對1037布浸漬片的體積分?jǐn)?shù)作圖(如圖3所示)。

結(jié)合圖3，采用線性關(guān)系進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，所得擬合方程為ln(εr) = 0.294 5VA+ 0.701 2，并且R2=0.996 2，即相關(guān)度R為0.998 1，這說明復(fù)合基板介質(zhì)層相對介電常數(shù)的自然對數(shù)隨1037布浸漬片體積分?jǐn)?shù)呈線性變化，符合Lichtenecker對數(shù)法則。

此外，基于擬合方程可以得出ln(εrA)=0.995 7和ln(εrB)=0.701 2，進(jìn)而解出εrA=2.707和εrB=2.016，說明：1) 所采用的1037布浸漬片的相對介電常數(shù)為2.707。若層疊結(jié)構(gòu)中10層原料均為該玻璃纖維布浸漬片，基板介質(zhì)層的最大相對介電常數(shù)約為2.700；2) 所采用的PTFE薄膜的相對介電常數(shù)為2.016，與公知的PTFE相對介電常數(shù)(1.800～2.200)相符；3)基于所采用的1037布浸漬片和PTFE薄膜可以制備出相對介電常數(shù)為2.000～2.700的一系列低介低損復(fù)合基板，為研制相對介電常數(shù)2.200，2.330，2.400，2.450，2.500，2.550等規(guī)格的復(fù)合基板奠定了配方基礎(chǔ)。

3 結(jié)論

a) 通過調(diào)整玻璃纖維布增強(qiáng)PTFE浸漬片、PTFE薄膜等材料比例，采用層壓法制備出一系列介質(zhì)層厚度0.250 mm、相對介電常數(shù)2.120～2.540、損耗因子不大于0.001 40的復(fù)合基板。

b) 復(fù)合基板介質(zhì)層相對介電常數(shù)與原料體積分?jǐn)?shù)之間關(guān)系符合Lichtenecker對數(shù)法則。