应用于天线的高介电常数聚合物基覆铜板

Paper Code: A-041

颜善银 苏民社 殷卫峰

广东生益科技股份有限公司

应用于天线的高介电常数聚合物基覆铜板

Paper Code: A-041

颜善银 苏民社 殷卫峰

广东生益科技股份有限公司

近年来，由于无线通信的快速发展，使无线通信成为生活的必需。天线负责电路与空气中电磁能量的转换，为通信系统中不可或缺的基本设备。随着电子产品轻、薄、短、小的发展趋势，电子产品中元器件的设计也要朝此趋势发展。当前业界对于天线设计的重点在于小型化、结构简单化及多频或宽带。采用陶瓷作为基板制作小型化天线已经是众所周知，然而，陶瓷的不足之处是它易碎，并且有较高的制作成本，因为它必须使用烧结的方法来制备。高介电常数聚合物基覆铜板由于具有易加工、低温成型、低成本和优异的机械性能，已经引起了人们的广泛关注。本文对高介电常数聚合物基覆铜板的设计与制作进行了简要概述。

高介电常数；覆铜板；天线

1 前言

无线通信技术是通过电磁波的辐射来完成。电磁波的产生，基本上是电场与磁场的变化过程，将能量以波的方式在空间中传递，而天线的存在提供了电场变化的环境。无线通信设备的设计逐年变得复杂。无线通信设备为具有无线通信功能的电子设备，包括无线终端[例如移动电话、智能手机、个人数字助理（PDA）、个人计算机（PC）和全球定位系统（GPS）终端]，并包括无线通信应用装置，例如无线通信卡（PCMCIA卡）。在无线通信设备内部设有接收无线电波的天线。

随着微小卫星的迅猛发展和移动通信产品市场需求的日益膨胀，只有那些体积小，携带方便，高灵敏度，高稳定性的无线通信产品才能满足需求。目前微电子、微机械等新兴微加工技术的发展，使得不仅是数字、基带电路模块，甚至连射频模块也已成功地实现了微型化、芯片化的设计和生产。与此同时，天线作为重要的射频前端器件，其指标要求也日益苛刻，小型化、内置化、多频段、智能化是移动终端小天线的发展趋势。目前，天线小型化的主要方法包括采用特殊介质基片、加载短路探针、表面开槽、附加有源网络、采用特殊的微带贴片形式等方案。其中，一种最常用的方法就是采用高介电常数的介质基片来减小天线尺寸。目前高介电常数的介质基片用得最多、最广的主要有高介电陶瓷基板和高介电常数聚合物基覆铜板。下文简要介绍这两种高介电常数的介质基板在天线中的应用，重点介绍高介电常数聚合物基覆铜板的设计与制作。

2 高介电陶瓷基板在天线中的应用

由于陶瓷材料有较高的介电常数，在小型化天线中的应用比较广泛。孙晓玮等[1]采用介电常数ε≥38的高均匀性陶瓷基片，制作成一种高介电常数圆极化小型超高频天线；龚成等[2]采用高介电常数材料来制作天线基板，基板材料采用陶瓷类材料，其介电常数可达20，使天线体积大大减小；游佰强等[3]采用9层介电常数渐变的陶瓷基板材料，介电常数依次为12、13、14、15、16、15、14、13、12，制成了一种偶极子天线，尺寸小，带宽大，辐射特性好；脉冲芬兰有限公司的专利[4]采用介电常数为35的陶瓷介质基板，制成了一种适合小尺寸无线电设备的电介质天线，天线部件尺寸是7 mm × 1.6 mm × 1.6 mm；游佰强等[5]采用介电常数为20的陶瓷介质基板，制成了一种用于卫星定位系统的小型化圆形缝隙微带贴片天线，介质基板的长度为36.0 mm ± 0.1 mm，宽度为36.0 mm ± 0.1 mm，厚度为2.0 mm ± 0.1 mm；日本富士通株式会社的专利[6]采用介电常数约为10的陶瓷材料制成了一种可以实现尺寸缩小的天线装置。

3 高介电常数聚合物基覆铜板在天线中的应用

虽然陶瓷材料具有较高的介电常数，但陶瓷材料存在易碎、加工困难、机械性能差等弊端，在制备陶瓷材料时需要高于500 ℃以上甚至1 100 ℃的温度进行烧结[7][8]，对设备和操作环境要求都很高。以高介电常数陶瓷填充聚合物得到的高介电常数聚合物基覆铜板，结合了陶瓷和聚合物各自的优点，可以同时具有介电常数高、易加工等优良性能，成型温度不超过200 ℃，同时具有非常好的机械性能，已经被应用于小型化天线的制备中。

RYOU Byung Hoon等[9]采用含聚苯硫醚（PPS）的高介电常数聚合物基覆铜板，制作成了一种小型天线，介电材料的介电常数为20～25。卓威明等[10]采用一种高介电常数的基板材料制作成天线，基板材料为有机材料基板，借助高介电常数材料的使用，可以缩小天线面积，节省材料成本并减少组装成本，高介电常数基板还可以缩小微波辐射波长，达到天线小型化的目的。日本古河电气工业株式会社的专利[11]采用高介电常数材料构成的电介质层挟持着低介电常数材料构成的中央电介质层，发明了一种小型天线。其中，使用PEI（聚醚酰亚胺）或LCP（液晶聚合物）等树脂来作为中央的低介电常数材料，将混合了陶瓷的PPS树脂用于外层的高介电常数材料，高介电常数材料的介电常数为18.2，天线的尺寸是28.5 mm × 7.5 mm× 3 mm。日本NTN株式会社的专利[12]采用在乙丙橡胶弹性体中配入高介电陶瓷粉末形成的高介电弹性体为天线主体，通过在其上粘接施加了镀敷处理的铜箔作为电极，制成一种电介质天线，由于介电常数高，可以达到天线的小型化。

4 高介电常数聚合物基覆铜板的设计与制作

高介电常数聚合物基覆铜板的设计主要从填料和聚合物两个方面着手，在保证覆铜板综合性能的前提下，要控制好介电常数和介电损耗这两个最关键的性能指标。尤其用于天线的高介电常数聚合物基覆铜板，首先考虑直接影响天线尺寸的基板介电常数，由于印制天线的尺寸与基板的相对介电常数成反比，所以要选用具有高介电常数的介质基板来减小天线尺寸，但在确保低剖面结构的情况下，过高的介电常数会激励出较强的表面波，表面损耗较大，使增益减小，直接降低天线的辐射效率，所以需要权衡选择基板的相对介电常数。

在高频领域的电波，要求电子器件的能量损失或输送损失小。输送损失作为热能量在电子器件中被消耗，成为电子器件发热的原因。输送损失通常用下式：

表示，所以为了降低输送损失，需要使介电常数、介电损耗角正切变小。这也说明了天线用覆铜板的介电常数并不是越高就越好，满足天线小型化的要求即可，同时要保证覆铜板的介电损耗要小，降低输送损失。

高分子聚合物当中，除少数材料外，其介电常数通常较低。为了达到一定的介电常数，通常要在聚合物中添加功能填料，功能填料是决定聚合物基复合材料介电性能的关键组分。目前用作高介电聚合物基复合材料中的功能填料主要包括铁电陶瓷、金属导体、无机导体、有机半导体等[13]。在高介电常数聚合物基覆铜板中使用最多的填料还是电介质陶瓷，一些电介质陶瓷的介电常数和Q值（介电损耗角正切的倒数）见表1，表中介电常数和Q值是利用电介质共振器法在千兆Hz带测定的值。Q值越大则介电损耗就越小，所以在选择使用电介质陶瓷的时候，保证介电常数满足使用要求的前提下，应该优选Q值大的电介质陶瓷作为填料。从表1中可以看出，以TiO2、CaTiO3、SrTiO3、BaNd2Ti5O14、BaNd2Ti4O12、Bi2O-BaO-Nd2O3-TiO2系、PbO-BaO-Nd2O3-TiO2系、(Bi2O3-PbO)-BaO-Nd2O3-TiO2系、BaO-CaO-Nd2O3-TiO2、BaO-SrO-Nd2O3-TiO2为主要成份的电介质陶瓷粉末，具有较高的介电常数，同时Q值也较高。BaTiO3虽然具有非常高的介电常数，但是Q值偏低，尽管如此，BaTiO3在制备高介电常数聚合物基覆铜板中还是用得比较多。

表1 一些电介质陶瓷的介电常数和Q值

在降低聚合物基覆铜板的介电损耗上，除了尽量选择Q值高的填料外，还可以从聚合物方面考虑，尽量选择介电损耗比较低的聚合物。覆铜板中常用的低介电损耗的树脂有聚苯醚（PPO）树脂、双马来酰亚胺（BMI）树脂、氰酸酯（CE）树脂、活性酯类树脂等。

聚苯醚（PPO）是一种综合性能优良的热塑性树脂，介电损耗约0.0007。刘军[14]采用聚苯醚树脂体系，同时采用金红石型TiO2复合陶瓷粉材料作为介电常数调节剂，研制开发出了介电常数为6.23（9.37 GHz），介质损耗因数为0.0014（9.37 GHz）的覆铜板。

李小兰[15]采用自制的溴化环氧树脂、BMI型聚酰亚胺、氰酸酯树脂三种有机树脂（树脂的介电性能见表2）、钛酸钡陶瓷粉（在1300 ℃的隧道炉中烧结两个小时，相对介电常数在4000左右）及分散剂、溶剂等配成一定粘度的胶粘剂，用50 g/m2的玻璃纤维无纺布浸胶后，在一定的条件下烘干制作成粘结片，双面用35 mm铜箔，在4.9 MPa（50 kg/cm2）的单位压力下进行热压成型，压制温度170 ℃ ～ 175 ℃，保温2 h。采用三种树脂制作的高介电常数覆铜板性能见表3。

表2 常见有机树脂的介电性能

表3 高介电常数覆铜板检测结果

日本TDK株式会社的专利[16]采用环氧树脂、活性酯类化合物、多芳基化合物为主体树脂，以BaNd2TiO4系电介质陶瓷粉末和Ba2Ti9O20系电介质陶瓷粉末为功能填料，加入阻燃剂、固化促进剂、表面处理剂和有机溶剂，进行搅拌直到完全溶解、分散，得到糊状物，使用刮刀将糊状物涂布在18 mm电解铜箔或50 mm的PET薄膜上，进行50 ℃/10 min＋120 ℃/10 min的干燥处理，得到的树脂组合物的厚度为50 mm。将12块该树脂组合物重叠，通过高温真空压机压制成型，在以2 ℃/min的速度从30 ℃升温到150 ℃后、保持60 min后、以3 ℃/min的速度升温到190 ℃、保持60 min的温度曲线，3 MPa的压力、0.004 MPa（30 torr）以下的真空度的条件下进行压制。压制后得到的树脂组合物的固化物的厚度为500 mm。部分实施例覆铜板的介电性能见表4，可见所得覆铜板的介电常数较高，并且介电损耗非常低。

表4 部分实施例覆铜板的介电性能

5 结语

高介电常数聚合物基覆铜板所用树脂和填料的种类及其繁多，制作方法也是多种多样，有的使用玻纤布作为增强材料或者用其他类型的增强材料，有的没有使用增强材料。高介电常数聚合物基覆铜板具有优异的机械性能，并且易加工、低温成型、低成本，有非常广泛的应用前景，尤其在天线方面的应用，有望取代或者部分取代陶瓷基板。

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High dielectric constant polymer based copper clad laminate for antenna application

YAN Shan-yin SU Min-she YIN Wei-feng

Due to the rapid development of wireless communication technology in recent years, wireless communication has become an essential part of modern life. The antenna is used for electromagnetic energy conversion between the circuit and the air, and is an indispensable piece of basic equipment for communication systems. With the trend of electronic products becoming light, thin, short, and small, the components for electronic products must also consider this trend in design. Current antenna design is focusing on miniaturization, structure simplif i cation, and multi-band or broadband. An antenna employing ceramics as a substrate has also been known as the small-sized antenna. However, the ceramics is disadvantageous in that it can be easily broken and has a high manufacturing cost since it has to be fabricated using sintering. High dielectric constant polymer based copper clad laminate have drawn much attention due to their easy fabrication, low temperature process, low cost and excellent mechanical properties. The design and fabrication of high dielectric constant polymer based copper clad laminate were reviewed in this paper.

High Dielectric Constant; Copper Clad Laminate; Antenna

TN41 < class="emphasis_bold">文献标识码：A文章编号：

1009-0096（2012）增刊-0044-05

颜善银，工程师，从事电子电路基材的研发工作, E-mail: yansy@syst.com.cn。

苏民社，高级工程师，从事电子电路基材研发及相关管理工作, E-mail: sums@syst.com.cn。