低介电玻纤布研究现状及其在高频印制电路板的应用

蒋利华，朱月华，张娜，卓宁泽，邢海东，王海波

(南京工业大学电光源材料研究所，南京 210015)



低介电玻纤布研究现状及其在高频印制电路板的应用

蒋利华，朱月华，张娜，卓宁泽，邢海东，王海波

(南京工业大学电光源材料研究所，南京 210015)

摘 要：介绍了国内外高频高速印制电路板(PCB)用电子级玻璃纤维布在介电性能方面的研究情况，分别从玻璃纤维布的改性工艺及其在PCB中的应用两方面进行论述。研究表明，通过不同方式的工艺处理，可以在一定程度上降低介电常数和介电损耗，提升材料的介电性能，研究同时，对玻璃纤维布在PCB中的应用做了简单说明。

关键词：印制电路板；玻璃纤维；介电常数；介电损耗

0前言

近年来，随着电子信息技术的不断发展，平板电脑、智能手机等电子设备的不断普及，使得电子玻璃纤维布、覆铜板(CCL)以及印制电路板(PCB)这同一条产业链上的3个紧密相连的上下游产品不断地完善和发展[1]。

现代电子设备正朝着扁平化、短小化、轻薄化及处理能力高速化的方向发展。信息的传输速度和传输量不断增加，云计算、智能终端等的不断发展，对PCB、CCL以及电子玻璃纤维布在性能、加工工艺以及生产成本等方面提出了更高的要求。在这种环境下，高频印制电路板(PCB)应运而生并得到了前所未有的发展，此类PCB需要介电性能优异的CCL和玻纤布来支撑。

材料的介电性能是指在电场作用下，对静电能的储蓄和损耗的性质，通常用介电常数(Dk)和介质损耗(Df)来表示。Dk是衡量材料存储电性能能力的指标，Dk越低，信号在介质中传送速度越快、能力越强。作为电容器，要求材料具备很高的Dk；作为PCB的组成部分，则需要材料具有极低的Dk。Df是衡量介电材料能量耗损大小的指标，Df越低，则信号在介质中传送的完整性越好[2]。当电介质一定，外加电压及频率一定时，介质损耗Df与介电损耗正切值(tanδ)成正比，即可以用tanδ来表示介质损耗的大小。高频电路，需要构成PCB的主要基材的Dk和Df尽可能低，这有利于提高电路板导线信号传输速度，降低信号时间延迟[3]。

一般而言，PCB主要由树脂基材、增强材料和填料三部分构成，优化PCB介电性能的主要途径是降低其组分的Dk和Df。以前高频PCB主要通过降低树脂基材的Dk和Df来实现，而随着研发技术的不断增强，通过上述方式改变PCB介电性能越来越有限，故国内外研发人员已开始对玻璃纤维进行改性，以期使材料具有更低的Dk和Df。玻璃纤维布在PCB中主要起增强作用(比如传统的FR-4就是采用E玻纤来对环氧树脂进行增强改性)。E玻纤，其组成中B2O3质量分数在5%～10%之间，这从侧面反映了B2O3在玻纤介电性能上的影响。高频PCB要求增强材料具备低Dk和Df，这样在智能设备和计算机应用中，可以具备更快信号传输速率。使用最为广泛的E玻纤在1MHz频率下的Dk在6.7～7.3之间，这显然无法满足高频PCB的要求[4]。

高频PCB要求增强材料Dk比E玻纤低，而且越低越好。低Dk和Df的玻纤在高频微波电路板上具备更好的应用前景，如透波材料对tanδ的限制很严，一般要求tanδ≤10-2，Dk也尽可能的小[5]。总而言之，PCB企业希望采购到Dk更低的玻璃纤维，而玻璃纤维企业则希望可以通过更加廉价的方式制备低Dk的玻璃纤维。然而目前市场上的低Dk的玻璃纤维价格昂贵，加工工艺复杂，不符合企业的经济效益要求[6]。

1玻璃纤维布改性工艺

目前国外生产低Dk玻璃纤维的厂家主要是法国Vetrotex公司、美国Erskin egelous公司、日本日东纺织株式会社、美国AGY公司等少数几家[4]，国内主要是重庆国际复合材料有限公司、南京玻璃纤维研究设计院有限公司和四川省玻纤集团有限公司[7]。电子玻纤布的技术领域，总体上无外乎织造技术(包括玻纤布质量、织物结构)、开纤技术和后处理技术(包括处理液配方和后处理工艺)三方面，在这些方面日本走在了世界的前列[8]。想要制备介电性能优异的玻璃纤维，理应从上述三方面进行研究，而最直接有效的方式是对玻璃内部组成进行改进。

1.1改善玻璃纤维原丝质量，减少微气泡[9]

首先从制备玻璃纤维的源头开始，提高原丝的质量。研究表明，每100万根单丝中，可能会出现大约100～800根含空心段的玻璃纤维。过去使用的玻璃纤维原丝中存在着微小的难以用肉眼看清的气泡，在拉制成型过程中气泡会快速拉长，就会形成几十厘米长度的空心段。这种有空心段的玻纤不会对普通的PCB板的电绝缘性能产生影响，但对一些高精密仪器，就会产生很大的影响。另外，如果玻璃纤维中含有微气泡，在基板被钻孔及孔内喷镀时，容易造成镀液和铅液渗入到气泡的空洞中，使得PCB板的电绝缘性能下降，甚至导致线路发生短路[10-11]，造成严重后果。

目前日本旭硝子株式会社已经利用其特有的玻璃液熔制技术和拉丝技术，成功研制出了一种没有气泡的玻纤，并且已经实现工业化生产，广泛应用到了CCL的加工生产中，这对全球的高性能玻纤发展带来了非常巨大的推动力[12]。

日本日东纺绩株式会社研制成功一种无微量金属杂质的CCL用玻璃纤维布[13]，其通过在捻线机上装备可以检测微量金属元素的设备，控制玻璃纱中的微量金属元素的质量分数，从而可以提升玻璃纤维整体性能，特别是介电性能和机械性能。

1.2改善玻璃纤维化学组成，兼顾加工成本

在现有的技术条件下，低Dk的玻璃纤维一般具备高质量分数的SiO2或是高质量分数的B2O3，亦或者是同时具备上述两高质量分数，如D玻纤[4]。日本旭硝子株式会社开发的D-玻纤，其玻璃成分：SiO2质量分数75%，B2O3质量分数20%，MgO质量分数0.5%，CaO质量分数1%，碱金属氧化物质量分数合计3%。其Dk仅为E玻纤的1/3，tanδ仅为E玻纤的1/4[14]。可以看出其中碱金属和碱土金属氧化物的含量非常低，这将会导致成纤温度过高，D玻纤的成纤温度为1 400 ℃。碱金属氧化物是助熔氧化物，它可以降低玻璃的熔化温度和粘度，使玻璃溶液中的气泡容易排除，通过破坏玻璃骨架，使结构疏松，从而达到助熔。碱金属含量越高，玻璃纤维的强度、电绝缘性和化学稳定性会相应的降低，但是其成纤温度越低。然而D玻纤碱金属氧化物含量低，成纤温度过高，使得加工性能变差，同时B2O3是玻璃纤维中价格比较昂贵的一种原料，这就导致D玻纤的生产成本明显提高；当然如果碱金属和碱土金属氧化物的含量提高，玻璃的加工工艺得到了改善，成本降低，但是其介电性能就会受到影响[15]，所以玻璃介电性能与加工成型工艺之间存在着矛盾，需要对组分进行合理的分配。

为了在上述两者中取得平衡，日本日东纺绩株式会社在D玻纤的基础上，研制成功一种低Dk电子布，即NE型电子玻纤布[16]，其组分的质量分数如表1所示。

表1　NE型电子玻纤布组分

相对于E玻纤和D玻纤，NE型电子玻纤布的介电性能与D玻纤相当，比E玻纤要好，但是其成纤温度不超过1 360 ℃，相对而言，其加工成型性得到了一定的提高，成本略有下降。

另外，国内外也推出了一些无硼玻纤，日本公开专利显示，其制备的玻纤不含B2O3，在1MHz频率下的Dk为5.2～5.3。而我国研发成功的无碱无硼玻纤，主要成分是SiO2：50%～55%，Al2O3：20%～25%，CaO：10%～15%，MgO：10%～15%，BaO：0%～5%，TiO2：0%～1.5%，ZrO2：0%～1.2%，CeO2：0%～1.2%，B2O3<0.1%，Na2O<0.5%。因为这种玻璃中不含碱金属氧化物，而含大量二价金属离子和一些高场强离子，从而使网络填充程度增加，阻碍了杂质碱金属离子的迁移，因此具有优良的电绝缘性能[17]，同时也解决了因含硼元素而引发的环境污染问题。

为了提高PCB、CCL的整体性能，同时又能很好地控制生产成本，一方面可以降低B2O3的质量分数，比如低于13%或者低于12%，另一方面可以使用价格相对廉价的材料，比如BaO或者ZnO[4]。

1.3采用开纤技术，实现电子布扁平化

由于电子产品越来越轻薄短小，促使玻璃纤维不断地变薄，甚至达到超薄的程度[18]，而传统的玻璃纤维由于布面的经、纬纱交叠处微微凸起，造成布的厚度很厚，影响CCL的整体性能。在20世纪80年代中期，国外研制成功一种被称为“开纤布”的新型电子布，采用高压射水的流水压力或通过机械应力等物理方法进行开纤处理，使得电子布的经、纬纱被开松摊平，交叠处不再凸起，空隙被填满或缩小，布面平滑性得到不同程度的提高。所制备的开纤布应用于半固化片和覆铜板上，可以提高板的浸透性和加工性，实现焊接耐热性以及尺寸稳定性的大幅提升[19]，同时在板层压成型中抑制了树脂绝缘层中微孔的发生，这样印制电路板在机械钻孔时，钻头不易跑偏，钻孔位置精度上升，不至于钻头折断，在改善板钻孔性的同时，也降低了成本[20]。

覆铜板用的超极薄玻纤布主要在采用降低经纬纱围出的孔隙面积、所用纱进行扁平化加工、玻纤布实现开纤化三方面技术，使得用此玻纤布制出的基板在层间绝缘可靠性上有所提高[21]。

经过开纤后，还可以将部分经、纬纱加工成单丝断裂，形成一层均匀的细密茸毛，故称此种布为“起毛布”，起毛布生产板的钻孔性比开纤布的要优异[22]。

上述两种布都有助于改善板的耐离子迁移性，起到了很好的电绝缘效果，对降低Dk和降低Df都有明显的效果。

1.4改善后处理技术(处理液和后处理工艺)，提升层间绝缘可靠性

玻璃纤维表面处理剂是一种化学物质，它既能与塑料中的玻璃纤维反应，也能与树脂反应，从而在玻璃—树脂界面上形成了强的“键桥”，促进了玻璃纤维与树脂的粘结，提升玻纤布与树脂间的界面特性，改善多层板层间电绝缘可靠性。

玻璃纤维与树脂之间的这种粘结，在固化收缩时不会产生收缩应力和耐水性的破坏，同时在高温高湿条件下也不易被破坏[23]。

玻璃纤维布的表面处理是电子布生产过程中最后的一道工序，其是否处理好直接影响覆铜板的外观、性能以及印制电路板的成型加工性能和电性能等。目前在玻纤行业，常规的表面处理方法有热处理法、酸碱刻蚀处理法、偶联剂法、等离子体表面处理法以及稀土元素处理法[24]，其中偶联剂法使用最常见，其又衍生出了前处理法、后处理法和迁移法三种方法[25]。目前使用的偶联剂主要有有机铬、有机硅和钛酸酯，其中硅烷偶联剂使用最为广泛，综合效果也最佳。

南京玻纤院高级工程师陈程林[26]经过不断研究发现，玻璃纤维通过热处理、化学处理(偶联剂法)、迁移法处理都能较显著地提高层压板电性能，数据如下表2。

表2　玻璃布表面处理方式对层压板电性能的影响

一般而言，如果玻璃纤维未经过后处理，则其表面极易吸附各种气体、水蒸气、尘埃等，这会影响其表面张力，与树脂基体压合所形成的层压板，很容易因为受潮、浸水等原因而发生开裂，这将限制产品的使用范围，降低产品的整体性能。

上述数据表明，玻璃布经热处理除掉石蜡浸润剂，可以提升其自身的介电性能。并且有人指出，石蜡浸润剂被除去得越彻底，介电性能提升的越明显。同时进一步偶联剂化学处理，可以使层压板电性能大幅提高。特别是湿态电性能与原布比较，绝缘电阻得到一定程度提高，损耗因数和介电常数分别降低70%和50%[24]。说明合理的偶联剂和合理的表面处理方法对板的性能的提高具备十分重要的作用。

2低Dk和Df玻璃纤维布在高频PCB中的应用

微波PCB的高频和高速化，普遍要求原料基材可以达到低介电性能，而目前主要的手段是通过降低树脂基材和增强材料的Dk和Df，或者是改变填料的形态和添加方式来实现。其中玻璃纤维布主要在高频PCB中起增强作用，可以用于提升材料的力学性能。传统E-玻纤，其Dk一般在6.6左右，明显高于一般树脂基材(聚四氟乙烯Dk为2.0左右)，所以降低玻纤的介电性能尤为重要，如果无法降低玻纤的Dk，那么制备而成的PCB的Dk无法满足高频微波电路板的应用要求，而且在高频PCB中玻纤占有较高的体积分数，因此其决定着高频PCB整体介电性能[27]。

研究表明，采用低介电玻纤布有利于CCL和PCB获得更加优异的介电性能。目前通过上述几种方法制备得到的低介电玻璃纤维布在高频PCB中应用越来越广泛，所制备的PCB的性能也越来越优异，扩大了PCB的使用范围：从低端的滤波器、耦合器、低噪声放大器以及数字广播天线，到高端的低损耗的基站天线、军事雷达和导弹制导系统；从民用到军事。而低介电性的玻璃纤维布技术目前主要还是掌握在少数几个发达国家，比如日本，其在玻璃纤维布的研制方面一直走在世界的前列，所制备的D玻纤、NE玻纤、开纤布等已经广泛的应用到了实际生活生产中，并且获得了很好的用户体验。

随着电子信息工业的快速发展，智能手机的迅速普及，云计算和5G信息时代的来临，我国PCB市场对介电性能优异的玻璃纤维需求越来越大，然而国内低介电玻璃纤维的生产技术还不十分成熟，基本无法满足市场大规模的生产需要。目前国内生产高端的CCL和PCB时，一般都采用进口玻璃纤维布。在玻纤布方面，国内存在的问题主要是如何在提高玻纤布性能的同时，兼顾其加工工艺和生产成本。这就促使国内主要玻纤生产企业不断优化生产方法，创新加工工艺，来提升玻纤性能，降低成本。相信不久的将来，国内的玻纤布性能一定会达到国际水平。

3结论

随着电子信息工业的不断发展，科技水平的不断进步，人们希望所制备的CCL在不同频率下，其Dk和Df都很小，而且很稳定，几乎没有变化，同时在温湿度条件下，也很稳定[28]，但是现有的产品已经无法满足人们的需求，这就需要科研人员通过不同的手段，从不同方向来提升它们的性能满足日益增长的需求。本文通过对玻璃纤维在织造技术(包括玻纤布质量、织物结构)、内部组成、开纤技术和后处理技术(包括处理液配方和后处理工艺两个方向)四方面的分析可知，提高原丝质量，减少气泡率，改变化学组成，采用开纤技术以及偶联剂处理，一定程度上改善玻璃纤维布介电性能，扩大产品的使用范围。目前来说，国内超薄、高性能的玻纤的研究十分的匮乏，而国外，特别是日本，在技术和生产已经趋于完善。希望各研究所能与玻纤企业进行通力合作，早日能处于世界领先水平。

参考文献

[1]危良才.电子玻纤市场现状、发展趋势及对策[J].新材料产业，2009，12(1)：61-64.

[2]张伦强，刘飞，欧亚周，等.高频高速印制板钻孔技术提升研究[J].印制电路信息，2015(3)：98-105.

[3]方克洪.低介电常数环氧玻璃布层压板的研制[J].印制电路信息，2000，12(1)：39-41.

[4]Hong Li.Low Dielectric Glass and Fiber Glass[P].美国，US9096462Β2[P].2015-08-04.

[5]毛海亮.玻璃纤维织物及其树脂复合材料的电性能研究[D].东华大学，2015.

[6]韩利雄，姚远，曾庆文.高性能玻璃纤维特性及研究现状[A].全国玻璃纤维专业情报信息网第三十二次年会暨中国硅酸盐学会玻纤分会会议论文集[C].2011.

[7]刘长雷.我国覆铜板用玻纤布的发展现状与未来趋势[J].覆铜板资讯，2015，6(3)：42-43.

[8]杜甫.电子级玻璃纤维布开纤方法的研究[J].印制电路信息，2014，12(8)：9-14.

[9]危良才.电子级玻璃纤维布的技术发展新动态[J].纤维复合材料，2002，4(2)：43-46.

[10]邱菊生，钟智丽，张刘飞.提高电子玻璃纤维布介电性能的方法[J].陕西纺织，2010，4(2)：55-57.

[11]邱菊生，钟智丽.改善电子玻璃纤维布电绝缘性能的途径[J].产业用纺织品，2009，12(10)：1-5.

[12]程文芳.日本电子级玻璃纤维布的发展[J].半导体信息，2004，6(3)：43-47.

[13]危良才.国外覆铜板用玻璃纤维布的技术进展[J].建材工业信息，2000，12(9)：56-57.

[14]毕鸿章.日本产D玻璃纤维的性能与用途[J].建材工业信息，2003，12(8)：45-48.

[15]王中俭，陈兴芬，胡一晨，等.电子玻璃纤维介电性能和工艺参数的研究[J].材料科学与工艺，2007，15(5)：662-665.

[16]祖群.高性能玻璃纤维研究[J].玻璃纤维，2012，6(5)：16-23.

[17]邵恒中.无硼无碱玻璃纤维的性能及应用[J].玻璃纤维，1990，6(3)：10-15.

[18]祝大同.超级薄玻璃纤维布的技术开发[J].玻璃纤维，2006，6(1)：27-32.

[19]危良才.国内外玻纤制品生产现状及发展动向[J].印制电路信息，2005，12(4)：33-39.

[20]蔡长庚.改善覆铜板钻孔性能的研究进展[J].印制电路信息，2000，12(6)：25-26.

[21]祝大同.玻纤布薄型化与高性能的追求[J].覆铜板资讯，2007，12(5)：46-51.

[22]祝大同.覆铜箔板耐离子迁移性的研究[J].绝缘材料通讯，1997，6(1)：16-21.

[23]张晔.国外玻璃纤维表面化学处理剂(一)[J].兵工塑料，1974，6(1)：64-75.

[24]曹淑伟.玻璃纤维表面处理技术研究进展[J].宇航材料工艺，2009，6(1)：5-7.

[25]危良才.电子级玻璃纤维布表面处理技术[J].印制电路板信息，2004，12(12)：21-23.

[26]陈程林.玻璃纤维表面处理对层压板电性能影响的试验研究[J].玻璃纤维，2009，6(4)：10-14.

[27]杨盟辉.高频PCB基材介电常数与介电损耗的特性与改性进展[J].印制电路板信息，2004，12(12)：27-31.

[28]杨维生.聚四氟乙烯高频多层印制板工艺技术研究[J].印制电路板信息，2003，12(9)：47-51.

The Research of the Low Dielectric Properties of Fiberglass and the Application of Fiberglass in High Frequency Printed circuit Board

Jiang Lihua，Zhu Yuehua，Zhang Na，Zhuo Ningze，Xing Haidong，Wang Haibo

(Research Institute of Electron-Light Material NJUT，Nanjing 210015)

Abstract:The researches on glass fiber cloths used for high-frequency and high-speed printed circuit boards(PCB)at home and abroad are presented.These researches have shown that the dielectric constant(Dk)and dissipation factor(Df)of glass fiber cloths can be lowered to some extent by various means.The study also describes the application of these glass fiber cloths in PCB.

Key words:printed circuit board；glass fiber；dielectric constant；dielectric loss

中图分类号：TQ171.77+7

文献标识码：A

收稿日期：2016-03-17

作者简介：蒋利华，男，1987年生，助理工程师。主要从事玻璃纤维复合材料方面的研究。

修回日期：2016-05-18