1037型玻璃纖維布增強PTFE復合基板的制備

龐子博 楊東海 馬春喜 張志鵬

(中國電子科技集團公司第四十六研究所，天津，300220)

聚四氟乙烯(PTFE)具有優異的化學惰性、耐候性、熱穩定性、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(εr為1.800～2.200)，并且其損耗因子小于0.000 50、體積電阻高達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：a) 熔點高且黏度大，熔融時需要加很大的壓力才能勉強使其微微流動；b) 質地較軟、力學性能較差；c) 和銅箔的線膨脹系數相差較大，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，對設備和工藝的要求較高。

美國多家企業已開發出多款低介低損基板產品并得到廣泛的應用，例如美國Rogers公司的RT/duroid 5000系列、DiClad系列、CuClad系列等產品，它們均具有小于2.700的相對介電常數和小于0.002 00的損耗因子，已廣泛應用于天線、濾波器、調制器、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，采用相同熱壓燒結程序制得了介質層厚度約0.250 mm、相對介電常數2.120～2.540、損耗因子不大于0.001 40的一系列基板，數據擬合后發現，復合基板介質層相對介電常數與原料體積分數之間的關系符合Lichtenecker對數法則。

1 試驗部分

1.1 主要原料及儀器設備

1037型玻璃纖維布增強PTFE浸漬片(以下簡稱“1037布浸漬片”)，單位面積質量為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，VLP-150，活全機器股份有限公司；網絡分析儀，N5230C，安捷倫科技有限公司；帶狀線法測試夾具，自制；數顯外徑千分尺，340-521，三豐量具中國有限公司。

1.2 復合基板介質層層疊結構的設計

由于PTFE即使被加熱到熔點之上其流動性也很差，并且層壓后1037布浸漬片和PTFE薄膜厚度均為25 μm左右，因此在設計介質層目標厚度約為0.250 mm的復合基板時，可將介質層視為由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度和層間結合強度，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布浸漬片層數不少于2層。圖1為復合基板介質層層疊結構設計示意。

為了在介質層層疊結構設計過程中便于標記和容易理解，約定簡記規則如下：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記；3) 當鄰近的幾層是相同材質料片時，相同材質料片的層數用下標表示。例如，10層料片中間8層均為1037布浸漬片時，介質層層疊結構可簡記為BA8B。

在設計復合基板介質層層疊結構時，一般要使層疊結構具有較高的對稱性。應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，層疊結構應設計為BA3BA4B。表1中列出了所有可能的介質層層疊結構及1037布浸漬片的體積分數。

表1 0.250 mm基板的介質層層疊結構設計

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的層疊結構設計，將裁切好的1037布浸漬片和PTFE薄膜依次進行疊合，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，放入真空層壓機中，升溫速率3 ℃/min，最高溫度375 ℃，壓力5 MPa，保溫時間3 h，降溫速率1 ℃/min[14]。冷卻至25 ℃，得到復合基板。

1.4 測試與表征

介電性能測試按照GB/T 12636—1990進行，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 結果與討論

2.1 復合基板的介電性能

表2為復合基板介質層厚度與介電性能。

表2 復合基板介質層厚度與介電性能

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

2.2 Lichtenecker對數法則及數據擬合結果

復合材料相對介電常數的理論模型及經驗擬合公式較多，如Lichtenecker對數法則、Jayasundere-Smith模型、Maxwell-Wagner模型和Bruggeman方程等。其中，Lichtenecker對數法則如公式(1)所示：

(1)

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

復合基板介質層中只有1037型玻璃纖維布和PTFE樹脂兩種原料，為了便于計算，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為復合基板介質層的相對介電常數；VA為1037布浸漬片的體積分數，%；εrA和εrB分別為1037布浸漬片和PTFE薄膜的相對介電常數。

將復合基板介質層的相對介電常數取自然對數(如表2所示)，并對1037布浸漬片的體積分數作圖(如圖3所示)。

結合圖3，采用線性關系進行數據擬合，所得擬合方程為ln(εr) = 0.294 5VA+ 0.701 2，并且R2=0.996 2，即相關度R為0.998 1，這說明復合基板介質層相對介電常數的自然對數隨1037布浸漬片體積分數呈線性變化，符合Lichtenecker對數法則。

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為2.707。若層疊結構中10層原料均為該玻璃纖維布浸漬片，基板介質層的最大相對介電常數約為2.700；2) 所采用的PTFE薄膜的相對介電常數為2.016，與公知的PTFE相對介電常數(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為2.000～2.700的一系列低介低損復合基板，為研制相對介電常數2.200，2.330，2.400，2.450，2.500，2.550等規格的復合基板奠定了配方基礎。

3 結論

a) 通過調整玻璃纖維布增強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層厚度0.250 mm、相對介電常數2.120～2.540、損耗因子不大于0.001 40的復合基板。

b) 復合基板介質層相對介電常數與原料體積分數之間關系符合Lichtenecker對數法則。