5G用高頻高性能覆銅板基體材料的調研

摘 要：5G通信、無人駕駛、物聯網、X波段雷達/衛星等終端電子產品對微波復合介質材料覆銅板性能提出了新要求，但制約其發展的關鍵材料是基體材料，經調研發現眾多基體樹脂材料中聚四氟乙烯極具潛力，應作為關鍵改性研究發展的覆銅板基體材料。

關鍵詞：5G；高頻高性能；覆銅板；基體樹脂材料；

隨著全球電子工業的迅猛發展，傳統獨立單一組分制備的微波介質材料難以滿足市場要求，逐漸被聚合物與陶瓷材料組成的微波復合介質材料取代。微波復合介質材料因其依托有機聚合物的優良物理化學性能（如柔韌性優異、化學穩定性較高、可加工性能較高等）以及微波介電陶瓷優異的介電性能（如較適合的介電常數、較低的介電損耗、近乎零的諧振頻率溫度系數等）能較好的滿足微波通信行業領域相關設備對材料介電性能的要求，特別是其能解決微波介電陶瓷的脆性導致了材料加工較難的問題，在微波通信技術領域備受關注。特別是近幾年來，信息技術的革命性發展趨勢，在微波介質材料領域，越來越多的電子元器件也需要具備優異微波介電性能、良好的力學性能和良好的加工性能。如介電薄膜器件、介電基板器件、介質天線、相陣控雷達、覆銅箔層壓板（簡稱覆銅板）等。

在手機通訊技術領域，5G手機通訊時代即將到來，全球5G產業總體市場投資規模將急劇增大，其中中國5G產業總體投資規模也將超過萬億美元。據海外科技媒體報道，美國的高通公司已突破了5G技術壁壘并發布了第一款5G智能手機毫米波天線模塊（QTM052），這將使超快速的5G手機成為現實。5G手機通訊時代的到來，也將極大地促進電子化學產品品、特種樹脂、復合玻璃纖維、復合陶瓷粉料、聚四氟乙烯等相關市場消費的快速增長。作為電子元器件行業中的“鋼筋水泥”，覆銅板市場將迎來新一輪研發熱潮，其基體樹脂材料典型代表是環氧樹脂（Epoxy Resin）和聚四氟乙烯（Polytetrafluoroethylene，簡稱PTFE）。5G覆銅板則對基體原材料提出了更高要求，如低/高介電常數、低介電損耗、頻率穩定性、尺寸穩定性、熱穩定性、高耐熱、低吸水、耐候性好、可加工性能好、綠色環保等。因此，筆者通過對覆銅板的基體樹脂材料深入調研，發現傳統的環氧樹脂基覆銅板已無法滿足5G通信、無人駕駛、物聯網、X波段雷達/衛星等終端電子產品要求，也無法滿足高密度互聯（HDI）、高頻高速、大功率高耐熱的多層PCB板的應用要求。目前能滿足要求的覆銅板主要是一些新型樹脂基材料制備而成的，主要包括熱塑性樹脂聚酰亞胺（PI）、聚醚砜（PES）、聚醚醚酮（PEEK）、聚苯醚（PPE）、液晶聚合物（LCP）等工程塑膠材料和高頻率材料PTFE等，其中PTFE具有最好的頻率穩定性。

覆銅板主要是由基體樹脂材料、增強材料和銅箔三部分組成。其中，基體樹脂材料的主要作用是經過一系列復雜的物理化學變化，將增強材料粘接在一起，最后形成具有特定強度的基板。目前備受行業關注的基體樹脂材料體系主要有：

1.傳統環氧樹脂基材料

環氧樹脂基覆銅板主要應用于線路板基板材料中，占據較大的比例[1，2]。一方面是由于它具備優異的機械加工強度、化學穩定性、粘結性、耐磨性、耐高低溫、電氣絕緣性能，另一方面是因為它比其它高性能樹脂價格便宜、易于加工和改性等優勢[2-4]。環氧樹脂屬于高分子材料，在經過60多年發展，形成了一系列的種類，得到了不同性能和粘度的環氧樹脂。環氧樹脂歸納起來可分為雙酚型縮水甘油醚、脂肪族縮水甘油醚、多酚型縮水甘油醚、縮水甘油酯型環氧、縮水甘油胺型環氧、雜環型和混合型、環氧化烯烴化合物、阻燃型環氧、水性環氧和其他環氧，在電子通訊、航天航空、建筑、輕工等領域得到廣泛的應用[4] 。但是環裝樹脂也存在著致命的缺陷，固化后其交聯密度較髙且呈三維網狀結構，存在較大的內應力、質脆，耐沖擊性、耐熱性、耐濕熱性、耐疲勞性差，以及剝離強度、開裂應變低和表面能較高，在較大程度上限制了其在高科技領域的應用，特別是在5G用高頻高性能微波復合介質材料覆銅板中的應用[2] 。

2.熱塑性樹脂聚酰亞胺（PI）[1]

熱塑性樹脂聚酰亞胺（PI）是一種由均苯四甲酸二酐和芳香二胺聚合而成的高分子化合物，其含有多重芳香雜環結構單元，具有極佳的耐熱性，其玻璃化溫度一般在260℃以上，能適用于溫度較高的電路應用。同時PI也具備較佳的介電性能、較良好的尺寸穩定性能，PI基覆銅板應用于大型計算機中。然而，PI基覆銅板雖然在大型計算機和線路板基板中廣泛應用，但是在制造和處理的過程中，也會因應用于覆銅板時其熱膨脹系數與電子元器件膨脹系數的巨大差異，導致產品中存在較大的內應力，從而出現電路剝離或裂紋的現象，甚至嚴重斷裂，極大地影響PI基覆銅板的性能。

3.聚苯醚樹脂（PPE）

聚苯醚是由2，6-二甲基苯酚經氧化偶聯或醚化反應縮聚而成[1，5]。PPE具有較高的玻璃化溫度、較低介電常數與損耗因子、穩定性良好的尺寸、較低的吸水率、耐酸耐堿等優異性能，在高頻基板材料中具備較大的應用潛力。聚苯醚屬于非結晶聚合物，在熔融處理過程中幾乎不結晶，因其對稱結構造成的空間位阻較大，雖然具有優良的力學性能，但是溶解性特差，使其在加工成型時較為困難，其熔點與玻璃化溫度很接近，很難達到覆銅板加工溫度[6] 。

4.聚四氟乙烯（PTFE）

聚四氟乙烯是一種超高分子量的高聚化合物，其分子結構是由-CF2-重復單元緊密構成的，其結構長程有序排列，也可認為是四個完全對稱的取向氟原子中心連接一個碳原子。PTFE的分子結構中F-C鍵極性小、鍵能高，因而其具備極低的表面自由能和優異的耐熱性。另外，PTFE無真正的Tg，在0-327℃的使用溫度下性能穩定，且長期在250℃以上保持良好的低溫柔韌性和良好的耐低溫性能；由F原子對C-C主鏈的屏蔽保護，賦予其優良的耐化學腐蝕性（如耐酸堿、耐有機溶劑）；優異的電氣性能、優異的抗老化和耐輻射性能、吸水率極低和良好的耐雨蝕性；PTFE的體積電阻率和表面電阻率均較高，在較寬頻率及溫度下相關參數均保持不變，具備較好的頻率溫度穩定性，同時其介電常數在1.8～2.2、極低的介電損耗（tanδ～10-4數量級）。PTFE由于具有綜合性能優異的優勢，在覆銅板的基材樹脂材料應用中優勢非常明顯。PTFE雖然具備獨特和優異的結構與性能，但是同樣存在缺陷：機械性能差（硬度較低、模量較低和拉伸強度較低）；線性膨脹系數較大，甚至可達到鋼的13倍，導致其極易在與其他材料形成微波復合介質材料時發生變形和開裂等現象；耐磨性和耐蠕變差，導熱性差和界面粘接性差等[1，6，7]。

因市場與國家戰略布局需求，5G與毫米波應用覆銅板的創新發展和技術突破迫在眉睫。因此，對5G用高頻高性能覆銅板基體材料應選擇聚四氟乙烯（PTFE）作為主打基體材料，并結合PTFE材料的缺點進行改性，如采用共混改性、陶瓷類改性法、高性能纖維增強改性等。同時以聚四氟乙烯為依托，開展填料組分設計技術研究、可控制備技術研究（如晶體結構可控制備，形貌可控制備，晶型、結晶度可控，無機填料粒度控制等）、復合材料配方設計、復合材料均勻制備以及有機/無機界面改性等，讓中國的5G用高頻高性能微波復合介質覆銅板早日實現量產，實現5G手機通訊時代。

參考文獻：

[1] 田勇.覆銅板用聚苯醚/環氧樹脂體系研究[D].華南理工大學，2006.

[2] 莫晶朝.高頻覆銅板用聚苯醚改性環氧樹脂復合材料的制備和性能[D].浙江大學，2013.

[3] 薛忠民，曾鴻鳴.國內外環氧樹脂生產應用現狀[J].玻璃鋼/復合材料，1999，2：43.

作者簡介：

傅小龍，材料物理與化學專業，碩士，工程師，教師，主要從事壓電陶瓷材料、微波介質材料、功能涂層材料、半導體光電器件等研究工作，從事半導體、光伏發電、光電器件、新能源等領域的教學工作。

（作者單位：江西工程學院新能源與環境工程學院）