一种PFA 共混改性聚四氟乙烯覆铜板的制备

张志刚

（苏州大学材料与化学化工学部，江苏 苏州215123）

随着电子信息产品向高速度、多功能、大容量和便携低耗方向发展，传统的FR4 覆铜板已无法完全满足应用需求，其逐渐被高速化、高可靠性的微波复合基板替代[1-3]。而PTFE 树脂由于分子结构对称，在电场中极化程度小，具有最优异的介电性能，相对介电常数约为2.1，而介电损耗正切值只有0.0001，同时PTFE 又具备化学性质稳定、吸水率的优点，因此PTFE 可应用于开发具有良好介电性能的高频覆铜板[4,5]。

1 实验部分

1.1 主要原材料

聚四氟乙烯分散乳液（固含量60%），PFA 分散乳液（固含量60%），三氧化二铝填料，二氧化硅填料，6040 硅烷偶联剂，35um电解铜箔。

1.2 主要实验仪器

网络分析仪，型号：E5071C，美国安捷伦；剥离强度测试仪，ASIDA-BL32，正业科技；高温锡炉，ASIDA-KH23，正业科技；静态热机械分析仪，SDTA2，美国梅特勒。

表1 PTFE 和PFA 乳液特性对比表

1.3 陶瓷聚四氟乙烯基板制备

1.3.1 胶水配制：将不同种类的无机填料与硅烷偶联剂进行预处理后，再与水在高速搅拌分散的条件下，将水、填料混合物与PTFE 树脂乳液进行混合分散制得胶水。

1.3.2 胶片制备：将混合好的胶水通过喷涂夹头涂覆在铝箔上，通过水平涂覆上胶机烘烤，低温（100-200℃）烘烤去除水份和化学品，然后经过高温（380-400℃）烧结，再将胶膜从铝箔上分离，最后陶瓷聚四氟乙烯胶膜。

1.3.3 聚四氟乙烯基板制备：将铜箔、胶膜、电解铜箔从上到下依次叠配，上下加钢板然后放入高温压机进行压合，先抽真空，压力设定60-80kg,温度375℃以上保持100-120mins。

1.4 性能测试

介电性能测试：按照IPC-TM-650 2.5.9 方法测试介电常数（DK）和介质损耗因子（Df）,试样尺寸50mm*50mm*1.0mm,数量为3 片，频率1GH。

剥离强度：按照IPC-TM-650 2.4.8 方法中的实验条件进行测试，试样尺寸应为50mm×50mm，试样金属箔条的宽度为3.0mm。

耐热性测试：按照IPC-TM-650 2.4.24.1 方法进行测试，试样尺寸为50mm×80mm。

吸水率：按照IPC-TM-650 2.6.2.1 方法进行测试，试验样品尺寸为：50mm×50mm。

热膨胀系数（CTE）：按照IPC-TM-650 2.4.24 方法进行测试，测试印制板或绝缘基材的Z 轴热膨胀系数。

2 结果与讨论

2.1 PFA 共混改性对聚四氟乙烯基板性能影响

PTFE 虽然具有较低的介电性能和吸水性能，优异的耐热性和耐化学性能，但PTFE 也有流动性差的缺陷，在高分子聚合物领域中，混合改性是非常常用的一种改性方式，它能快速、直接、有效的提高复合材料的性能，弱化被改性材料的缺点[7,8]。PFA 是四氟乙烯（TFE）单体同3%至5%的全氟烷氧基乙烯基醚(PPVE)的共聚物。由于侧链存在全氟烷氧基，从而降低了其结晶度，使PFA 具有可熔融加工性，流动度高的优点，其长期使用温度与PTFE 相同，均为260℃，而且其机械强度、耐折性优于PTFE[9,10]，具体PTFE 和PFA 的乳液性能对比见表1,可看出PFA 的流动度2g/10min，而PTFE 流动度大于g/10min。本节讨论了采用PFA 共混改性PTFE 的方式。

2.2 PFA 共混改性对聚四氟乙烯基板密度的影响

从图1 中可以看出，随着PFA 比例增加到20%时，吸水性由0.1%骤降到0.04%，而后再加入PFA 到40%，吸水率基本不变，当PFA 的添加比例为20%时，密度也由2.3g/cm3增加到2.3g/cm3，因为填料、PTFE 之间存有较多空隙，在体系中添加PFA，因为PFA 粒径比PTFE 小，且PFA 的流动性优于PTFE，通过添加PFA 可以很好的改善体系中的空隙，从而使基板的吸水率降低，当PFA 含量增加到20%时，复合基材的吸水率较低。

图1 PFA 共混改性对基板吸水性和密度的影响

2.3 PFA 共混改性对聚四氟乙烯基板介电性能的影响

从图2 可以看出，经PFA 共混改性PTFE 后，基板介电性能的变化趋势。当PFA 添加量从0%增加到20%时，介电常数从3.50 增大到3.53，介质损耗从0.0019 减小到0.0017，当添加比例从20%增加到40%时，介电常数和介质损耗值基本不变。这张变化趋势，应该是因为添加了高流动性PFA 树脂，减少了基材中的空气，空气的介电常数为1.0，空气含量减少而导致介电常数增大，PFA 含量增加到20%时，介电性能得到明显提升。

图2 PFA 共混改性对基板介电性能的影响

2.4 PFA 共混改性对聚四氟乙烯基板弯曲强度的影响

从图3 可以看出，PTFE 经PFA 共混改性后，PFA 含量由0%增加到20%时，弯曲强度由110MPa 明显提升到145MPa,当含量由20%增加到40%时，弯曲强度的变化不太明显，PFA 树脂的熔点低，熔融粘度、分子量、树脂粒径比PTFE 小，在热压过程中，PFA 比较容易填充填料与填料之间的空隙，树脂与填料之间的接触面积变大，树脂与填料之间的结合力增强，当PFA 含量增加到20%时，弯曲强度性能得到明显改善。

图3 PFA 共混改性对基板弯曲强度的影响

2.5 PFA 共混改性对聚四氟乙烯基板剥离强度的影响

从图4 可以看出，PTFE 经PFA 共混改性后，PFA 含量由0%增加到10%时，剥离强度已经明显提升,当含量增加到20%时，剥离强度值能达到1.58N/mm,再增加PFA 比例到40%，剥离强度基本不变，这是因为PFA 树脂熔融温度较PTFE 低，且流动度也较PTFE 大，PFA 粒径也小，在涂覆和压合过程中，PFA 比较容易填充填料与填料之间的空隙，使胶片表面平滑，增加了胶片与铜箔之间的结合力。

图4 PFA 共混改性对基板剥离强度的影响

3 结论

PFA 因具备结晶度低，熔融温度比PTFE 低和流动度高的优点，经以上实验研究发现，在陶瓷聚四氟乙烯体系中添加PFA共混改性，当PFA 添加比例为20%时，提高了树脂体系的流动性，降低了基材内部测空隙，从而可以降低陶瓷聚四氟乙烯基板的吸水性、提升板材的介电性能，剥离强度和弯曲强度，PFA共混改性PTFE 是提升聚四氟乙烯高频覆铜板性能的一种有效方式。