超低介PTFE基介質基板配方設計及基板性能

武 聰，李 強，張立欣，賈倩倩

(中國電子科技集團公司第四十六研究所， 天津 300220)

0 引言

高頻電路需要高信號傳輸速度，而信號傳輸速度與基板材料的介電常數(shù)的平方根成反比，高介電常數(shù)的介質材料容易造成信號的傳輸延遲。因此要實現(xiàn)快速的信號傳輸，必須選擇介電常數(shù)低的基材。介電常數(shù)不僅影響著傳輸速度，也影響著電路的阻抗。阻抗必須和高速電路匹配，這意味著電路帶線的阻抗由電路其他元素的阻抗來確定。設計者可以使用標準方程來選擇帶線的寬度、介質的厚度和達到所需阻抗的介電常數(shù)。然而諸如互連密度和微波多層板的圖形容量等因素通常決定著線寬。這意味著設計者要對介質厚度和介電常數(shù)采取折中方案。更小的介電常數(shù)值，允許使用更薄的介質厚度。較薄的微波多層板對設計者來說有幾個優(yōu)點。通常薄板孔金屬化的可靠性更好，對導線和插頭更適合。另外它減少了鄰近導體的跨接，由于薄層板的跨接更短，可以獲得更薄、更可靠的微波多層板，因此就更需要低介電常數(shù)的材料。

聚四氟乙烯非常適用于作為高頻基板材料的基體樹脂。隨著高速度、高密度、多功能型集成電路的發(fā)展，對超低介電常數(shù)(ε<2.2)基板的需求越來越大，深入研究并開發(fā)更低介電常數(shù)的新材料是必然的趨勢[1]。通常無機陶瓷粉體的介電常數(shù)值在4以上，結合PTFE樹脂的介電常數(shù)大致為2.2，因此由二者復合形成的介質層的有效介電常數(shù)難以達到2以下，一定程度限制了高端電路的設計。降低材料介電常數(shù)的辦法一般有2種：一種是采用分子結構對稱性好的材料作為原料，另一種是引入氣孔來降低材料的介電常數(shù)[2]。由于空氣孔隙具有較低的介電常數(shù)[3]，因此降低材料介電常數(shù)最有效的方法是在材料中引入空氣，目前報道的無機填料主要有多孔氧化硅[4]、納米氧化硅空心微珠[5]、空心球陶瓷粉(Al6Si2O13)[6]等制備的薄膜或者復合介質基板。然而，納米空心微球不適用于PTFE樹脂基微波復合介質基板的制備，目前還未見有對陶瓷空心球性能(尤其是鋁硅原子比和球殼厚度等)對超低介微波復合介質基板性能的影響的報道。

本文選用鋁硅氧化陶瓷空心球為無機填料，制備超低介PTFE微波復合介質基板，研究了空心陶瓷粉中鋁硅原子比、球殼厚度、空心球粒徑等對基板介電性能的影響。

1 實驗

1.1 實驗原料

采用的PTFE干粉為美國杜邦公司生產，型號為7CX。硅烷偶聯(lián)劑為KH560硅烷偶聯(lián)劑，加入比例為粉體重量的0.8%，成型潤滑劑為石油醚，上述試劑均由上海阿拉丁試劑公司采購?；逵勉~箔為電子級，厚度35 μm，毛面粗糙度Rz為(1.5±0.5)μm，由蘇州福田公司生產和銷售。

鋁硅氧化陶瓷空心球粉體由山東某公司提供，平均粒徑在50～80 μm。陶瓷空心球和SiO2空心球，鋁硅原子比分別為3∶1、2∶1、1∶1、1∶2和 0∶1，樣品編號及介電常數(shù)見表1[7]。

表1 陶瓷空心球參數(shù)

1.2 實驗過程

將一定量的經表面改性處理的鋁硅氧化陶瓷空心球(球殼厚度2.5 μm)、PTFE干粉按照表2進行配比后，加入成型潤滑劑，采用錐形混料機進行機械混合，混合轉速1 000 r/min，混合時間1 h?；旌暇鶆虻膹秃衔锪线M行糊狀擠出成型，得到一定厚度的生料帶，將生料帶在三軸壓延機上進行壓延成型，經過3～5次反復壓延后得到厚度0.26 mm的生基片，將生基片在低溫烘箱中進行烘干，烘干條件為190 ℃，烘干24 h，烘干后的生基片4張疊層，進行雙面覆銅層壓，在370 ℃，4 MPa下層壓，保溫保壓4 h，得到鋁硅氧化陶瓷空心球填充的PTFE微波復合介質基板樣品。

表2 空心球填充PTFE樹脂復合介質基板配比表

1.3 測試與表征

采用美國Agilent公司網絡分析儀配合帶狀線測試夾具對樣品在8～12 GHz的相對介電常數(shù)和介電損耗進行測試。

采用美國TA公司Q400TMA熱分析儀測試樣品Z軸熱膨脹系數(shù)，測試溫度范圍為0～100 ℃。

吸水率測試使用低溫烘箱，測試溫度范圍為22～100 ℃。

2 實驗結果與分析

2.1 空心球填充PTFE復合材料介電常數(shù)的計算

復合材料由陶瓷空心球為分散介質，PTFE樹脂為連續(xù)相構成。總結前期文獻可知，這種結構采用Maxwell-Garnett公式，具有擬合精度高的特點，該模擬方法特別適用于球形分散介質體積比大于20%的復合結構。因此，對于本文中復合介質材料的介電常數(shù)采用該方法進行擬合，其中PTFE樹脂的介電常數(shù)的值取2.2，Maxwell-Garnett公式表示為：

(1)

其中：εeff為復合材料的有效介電常數(shù)；ε1和ε2為球形填料和樹脂的介電常數(shù)；vl球形填料的體積占比。

分別模擬直徑為40、50、60、70和80 μm時，球殼厚度為2.5和5 μm的陶瓷空心球的體積占比對空心球和PTFE復合介質材料介電常數(shù)的影響，模擬結果如圖1所示。

圖1 不同直徑空心球的體積占比對復合介質材料介電常數(shù)的影響

從模擬結果圖1(a)～(e)來看，當球殼厚度為5 μm時，所有粒徑的空心球介電常數(shù)均大于2。當球殼厚度為2.5 μm時，空心球直徑為40 μm時，如圖1(a)所示，只有SiO2空心球體積占比達到38%，介電常數(shù)可達到2?？招那蛑睆綖?0 μm時，如圖1(b)所示，KXQ-1和KXQ-2的介電常數(shù)大于2，KXQ-3、KXQ-4和SiO2空心球分別在體積占比達到56%、54%和30%時介電常數(shù)可達到2?？招那蛑睆綖?0μm時，如圖1(c)所示，5種陶瓷空心球組成的復合介質材料介電常數(shù)均可達到2，此時各空心球的體積占比分別為64%、57%、40%、38%和26%?？招那蛑睆綖?0 μm時，如圖1(d)所示，復合介質材料的介電常數(shù)為2時，5種空心球的體積占比分別為45%、41%、33%、32%和23%。空心球直徑為80 μm時，如圖1(e)所示，復合介質材料的介電常數(shù)為2時，5種空心球的體積占比分別為36%、35%、29%、28%和21%。

2.2 陶瓷空心球填充PTFE基復合介質基板性能分析

2.2.1介電性能

基于陶瓷空心球填充PTFE基復合介質基板介電常數(shù)設計結果，4種含鋁空心球選用球殼厚度2.5 μm，空心球直徑50、60、70和80 μm，按照表2配比進行基板的制備。對制備后的基板進行介電常數(shù)和介質損耗的測試，從測試結果看，空心球直徑越大有利于對復合介質基板的介電常數(shù)進行有效調控，但是當空心球填充量低于30%時，PTFE樹脂含量的增加使得復合介質基板的介質損耗增高。當空心球填充量超過40%時，復合介質基板的介電常數(shù)跟模擬結果相差較大，這是因為在進行成型和層壓時，空心球之間相互擠壓而破裂，空氣所占比例下降，導致介電常數(shù)升高。復合介質基板的介電性能曲線見圖2。

從復合介質基板的介質損耗分布規(guī)律可以看出，當空心球鋁硅原子比為1∶1和1∶2時，采用此類空心球制備的復合介質基板樣品的介質損耗明顯高于鋁硅原子比為2∶1和3∶1的基板。這是因為在高頻條件下，陶瓷相組成對復合材料的介質損耗影響很大，氧化鋁是結構緊密的晶相，同時鋁原子的存在會防止多晶轉變和消除電子電導損耗和電子松弛極化損耗等[8]，因此鋁原子比例越高，陶瓷相的損耗越小。當空心球鋁硅比高于1∶1時，有利于降低復合材料的介質損耗。

圖2 復合介質基板的介電性能曲線

2.2.2熱膨脹系數(shù)

復合材料的熱膨脹系數(shù)可按復合規(guī)則公式(2)進行估算：

α=αmVm+αPVP

(2)

其中：α為復合材料的熱膨脹系數(shù)；αm、αP和Vm、VP分別為無機填料、PTFE樹脂的熱膨脹系數(shù)和體積分數(shù)(假定Vm+VP=1)。

由于PTFE基體的熱膨脹系數(shù)遠遠大于空心球無機填料，復合材料在升溫的過程中，會導致兩者熱膨脹失配，其中PTFE基體受到壓應力，而顆粒受到拉應力；冷卻時正好相反，并且由于PTFE的高熱膨脹系數(shù)，界面應力的影響比無機填料更大。這種熱膨脹的失配現(xiàn)象在PTFE這樣的高熱膨脹基體與陶瓷填料的復合材料中顯得尤為明顯。約束PTFE基體膨脹的只有顆粒，而這種約束主要依靠界面區(qū)來傳遞[6]。當填料粒徑越小，填充體積越大，填料對PTFE基體熱運動的約束越強，復合介質基板的熱膨脹系數(shù)就越小，通過對制備Z軸熱膨脹系數(shù)進行測試分析，當填料量在35%以上時，復合介質基板的Z軸熱膨脹系數(shù)可以達到高頻使用要求(≤ 40×10-6/℃)。復合介質基板的Z軸熱膨脹系數(shù)曲線見圖3。

2.2.3吸水率

將制備的復合介質基板進行吸水率測試，從測試結果可以看出，隨著空心球含量的增加，吸水率增加，同時，空心球直徑越小復合介質基板的吸水率也越大，這是由于空心球與PTFE樹脂之間的微觀界面增大，復合介質基板的吸水率與復合材料間的界面效應有關，同時無機填料的氣孔率是最主要的影響因素[9]，界面比例和氣孔率的提高直接導致復合材料的吸水率增大，因此想要復合介質基板的吸水率達到要求值(≤ 0.03%)，空心球的填加比例不能過大，當空心球比例為35%時，WB-12復合介質基板樣品的吸水率可以達到較理想的狀態(tài)。復合介質基板的吸水率曲線見圖4。

圖3 復合介質基板的Z軸熱膨脹系數(shù)曲線

圖4 復合介質基板的吸水率曲線

綜合介電性能的分析結果，采用直徑80 μm、球殼厚度2.5 μm的鋁硅原子比為2∶1的空心球，無機填料含量在35%時，制備的復合介質基板的介電常數(shù)為2.0，介質損耗為0.002 7，Z軸熱膨脹系數(shù)為38.8×10-6/℃，吸水率為0.025%，基板的綜合性能較佳，此時基板的性能可以滿足高頻超低介復合介質基板的使用要求。

3 結論

通過模擬發(fā)現(xiàn)球殼厚度越大，介電常數(shù)越大。當球殼厚為10 μm、含有氧化鋁時不能形成介電常數(shù)為2的復合介質材料；球直徑越大，球殼厚度越小，有利于介電常數(shù)的降低。基于模擬結果，進行了空心球填充PTFE樹脂的復合介質基板的制備，通過對基板介電性能、吸水率和熱膨脹系數(shù)的分析，當空心球直徑為80 μm、球殼厚度2.5 μm、鋁硅原子比為2∶1時，填加35%的空心球，制備的基板性能最佳，介電常數(shù)為2.0，介質損耗為 0.002 7，Z軸熱膨脹系數(shù)為38.8×10-6/℃，吸水率為0.025%，是性能優(yōu)良的超低介PTFE基復合介質基板材料。