超低介PTFE基介质基板配方设计及基板性能

武 聪，李 强，张立欣，贾倩倩

(中国电子科技集团公司第四十六研究所， 天津 300220)

0 引言

高频电路需要高信号传输速度，而信号传输速度与基板材料的介电常数的平方根成反比，高介电常数的介质材料容易造成信号的传输延迟。因此要实现快速的信号传输，必须选择介电常数低的基材。介电常数不仅影响着传输速度，也影响着电路的阻抗。阻抗必须和高速电路匹配，这意味着电路带线的阻抗由电路其他元素的阻抗来确定。设计者可以使用标准方程来选择带线的宽度、介质的厚度和达到所需阻抗的介电常数。然而诸如互连密度和微波多层板的图形容量等因素通常决定着线宽。这意味着设计者要对介质厚度和介电常数采取折中方案。更小的介电常数值，允许使用更薄的介质厚度。较薄的微波多层板对设计者来说有几个优点。通常薄板孔金属化的可靠性更好，对导线和插头更适合。另外它减少了邻近导体的跨接，由于薄层板的跨接更短，可以获得更薄、更可靠的微波多层板，因此就更需要低介电常数的材料。

聚四氟乙烯非常适用于作为高频基板材料的基体树脂。随着高速度、高密度、多功能型集成电路的发展，对超低介电常数(ε<2.2)基板的需求越来越大，深入研究并开发更低介电常数的新材料是必然的趋势[1]。通常无机陶瓷粉体的介电常数值在4以上，结合PTFE树脂的介电常数大致为2.2，因此由二者复合形成的介质层的有效介电常数难以达到2以下，一定程度限制了高端电路的设计。降低材料介电常数的办法一般有2种：一种是采用分子结构对称性好的材料作为原料，另一种是引入气孔来降低材料的介电常数[2]。由于空气孔隙具有较低的介电常数[3]，因此降低材料介电常数最有效的方法是在材料中引入空气，目前报道的无机填料主要有多孔氧化硅[4]、纳米氧化硅空心微珠[5]、空心球陶瓷粉(Al6Si2O13)[6]等制备的薄膜或者复合介质基板。然而，纳米空心微球不适用于PTFE树脂基微波复合介质基板的制备，目前还未见有对陶瓷空心球性能(尤其是铝硅原子比和球壳厚度等)对超低介微波复合介质基板性能的影响的报道。

本文选用铝硅氧化陶瓷空心球为无机填料，制备超低介PTFE微波复合介质基板，研究了空心陶瓷粉中铝硅原子比、球壳厚度、空心球粒径等对基板介电性能的影响。

1 实验

1.1 实验原料

采用的PTFE干粉为美国杜邦公司生产，型号为7CX。硅烷偶联剂为KH560硅烷偶联剂，加入比例为粉体重量的0.8%，成型润滑剂为石油醚，上述试剂均由上海阿拉丁试剂公司采购。基板用铜箔为电子级，厚度35 μm，毛面粗糙度Rz为(1.5±0.5)μm，由苏州福田公司生产和销售。

铝硅氧化陶瓷空心球粉体由山东某公司提供，平均粒径在50～80 μm。陶瓷空心球和SiO2空心球，铝硅原子比分别为3∶1、2∶1、1∶1、1∶2和 0∶1，样品编号及介电常数见表1[7]。

表1 陶瓷空心球参数

1.2 实验过程

将一定量的经表面改性处理的铝硅氧化陶瓷空心球(球壳厚度2.5 μm)、PTFE干粉按照表2进行配比后，加入成型润滑剂，采用锥形混料机进行机械混合，混合转速1 000 r/min，混合时间1 h。混合均匀的复合物料进行糊状挤出成型，得到一定厚度的生料带，将生料带在三轴压延机上进行压延成型，经过3～5次反复压延后得到厚度0.26 mm的生基片，将生基片在低温烘箱中进行烘干，烘干条件为190 ℃，烘干24 h，烘干后的生基片4张叠层，进行双面覆铜层压，在370 ℃，4 MPa下层压，保温保压4 h，得到铝硅氧化陶瓷空心球填充的PTFE微波复合介质基板样品。

表2 空心球填充PTFE树脂复合介质基板配比表

1.3 测试与表征

采用美国Agilent公司网络分析仪配合带状线测试夹具对样品在8～12 GHz的相对介电常数和介电损耗进行测试。

采用美国TA公司Q400TMA热分析仪测试样品Z轴热膨胀系数，测试温度范围为0～100 ℃。

吸水率测试使用低温烘箱，测试温度范围为22～100 ℃。

2 实验结果与分析

2.1 空心球填充PTFE复合材料介电常数的计算

复合材料由陶瓷空心球为分散介质，PTFE树脂为连续相构成。总结前期文献可知，这种结构采用Maxwell-Garnett公式，具有拟合精度高的特点，该模拟方法特别适用于球形分散介质体积比大于20%的复合结构。因此，对于本文中复合介质材料的介电常数采用该方法进行拟合，其中PTFE树脂的介电常数的值取2.2，Maxwell-Garnett公式表示为：

(1)

其中：εeff为复合材料的有效介电常数；ε1和ε2为球形填料和树脂的介电常数；vl球形填料的体积占比。

分别模拟直径为40、50、60、70和80 μm时，球壳厚度为2.5和5 μm的陶瓷空心球的体积占比对空心球和PTFE复合介质材料介电常数的影响，模拟结果如图1所示。

图1 不同直径空心球的体积占比对复合介质材料介电常数的影响

从模拟结果图1(a)～(e)来看，当球壳厚度为5 μm时，所有粒径的空心球介电常数均大于2。当球壳厚度为2.5 μm时，空心球直径为40 μm时，如图1(a)所示，只有SiO2空心球体积占比达到38%，介电常数可达到2。空心球直径为50 μm时，如图1(b)所示，KXQ-1和KXQ-2的介电常数大于2，KXQ-3、KXQ-4和SiO2空心球分别在体积占比达到56%、54%和30%时介电常数可达到2。空心球直径为60μm时，如图1(c)所示，5种陶瓷空心球组成的复合介质材料介电常数均可达到2，此时各空心球的体积占比分别为64%、57%、40%、38%和26%。空心球直径为70 μm时，如图1(d)所示，复合介质材料的介电常数为2时，5种空心球的体积占比分别为45%、41%、33%、32%和23%。空心球直径为80 μm时，如图1(e)所示，复合介质材料的介电常数为2时，5种空心球的体积占比分别为36%、35%、29%、28%和21%。

2.2 陶瓷空心球填充PTFE基复合介质基板性能分析

2.2.1介电性能

基于陶瓷空心球填充PTFE基复合介质基板介电常数设计结果，4种含铝空心球选用球壳厚度2.5 μm，空心球直径50、60、70和80 μm，按照表2配比进行基板的制备。对制备后的基板进行介电常数和介质损耗的测试，从测试结果看，空心球直径越大有利于对复合介质基板的介电常数进行有效调控，但是当空心球填充量低于30%时，PTFE树脂含量的增加使得复合介质基板的介质损耗增高。当空心球填充量超过40%时，复合介质基板的介电常数跟模拟结果相差较大，这是因为在进行成型和层压时，空心球之间相互挤压而破裂，空气所占比例下降，导致介电常数升高。复合介质基板的介电性能曲线见图2。

从复合介质基板的介质损耗分布规律可以看出，当空心球铝硅原子比为1∶1和1∶2时，采用此类空心球制备的复合介质基板样品的介质损耗明显高于铝硅原子比为2∶1和3∶1的基板。这是因为在高频条件下，陶瓷相组成对复合材料的介质损耗影响很大，氧化铝是结构紧密的晶相，同时铝原子的存在会防止多晶转变和消除电子电导损耗和电子松弛极化损耗等[8]，因此铝原子比例越高，陶瓷相的损耗越小。当空心球铝硅比高于1∶1时，有利于降低复合材料的介质损耗。

图2 复合介质基板的介电性能曲线

2.2.2热膨胀系数

复合材料的热膨胀系数可按复合规则公式(2)进行估算：

α=αmVm+αPVP

(2)

其中：α为复合材料的热膨胀系数；αm、αP和Vm、VP分别为无机填料、PTFE树脂的热膨胀系数和体积分数(假定Vm+VP=1)。

由于PTFE基体的热膨胀系数远远大于空心球无机填料，复合材料在升温的过程中，会导致两者热膨胀失配，其中PTFE基体受到压应力，而颗粒受到拉应力；冷却时正好相反，并且由于PTFE的高热膨胀系数，界面应力的影响比无机填料更大。这种热膨胀的失配现象在PTFE这样的高热膨胀基体与陶瓷填料的复合材料中显得尤为明显。约束PTFE基体膨胀的只有颗粒，而这种约束主要依靠界面区来传递[6]。当填料粒径越小，填充体积越大，填料对PTFE基体热运动的约束越强，复合介质基板的热膨胀系数就越小，通过对制备Z轴热膨胀系数进行测试分析，当填料量在35%以上时，复合介质基板的Z轴热膨胀系数可以达到高频使用要求(≤ 40×10-6/℃)。复合介质基板的Z轴热膨胀系数曲线见图3。

2.2.3吸水率

将制备的复合介质基板进行吸水率测试，从测试结果可以看出，随着空心球含量的增加，吸水率增加，同时，空心球直径越小复合介质基板的吸水率也越大，这是由于空心球与PTFE树脂之间的微观界面增大，复合介质基板的吸水率与复合材料间的界面效应有关，同时无机填料的气孔率是最主要的影响因素[9]，界面比例和气孔率的提高直接导致复合材料的吸水率增大，因此想要复合介质基板的吸水率达到要求值(≤ 0.03%)，空心球的填加比例不能过大，当空心球比例为35%时，WB-12复合介质基板样品的吸水率可以达到较理想的状态。复合介质基板的吸水率曲线见图4。

图3 复合介质基板的Z轴热膨胀系数曲线

图4 复合介质基板的吸水率曲线

综合介电性能的分析结果，采用直径80 μm、球壳厚度2.5 μm的铝硅原子比为2∶1的空心球，无机填料含量在35%时，制备的复合介质基板的介电常数为2.0，介质损耗为0.002 7，Z轴热膨胀系数为38.8×10-6/℃，吸水率为0.025%，基板的综合性能较佳，此时基板的性能可以满足高频超低介复合介质基板的使用要求。

3 结论

通过模拟发现球壳厚度越大，介电常数越大。当球壳厚为10 μm、含有氧化铝时不能形成介电常数为2的复合介质材料；球直径越大，球壳厚度越小，有利于介电常数的降低。基于模拟结果，进行了空心球填充PTFE树脂的复合介质基板的制备，通过对基板介电性能、吸水率和热膨胀系数的分析，当空心球直径为80 μm、球壳厚度2.5 μm、铝硅原子比为2∶1时，填加35%的空心球，制备的基板性能最佳，介电常数为2.0，介质损耗为 0.002 7，Z轴热膨胀系数为38.8×10-6/℃，吸水率为0.025%，是性能优良的超低介PTFE基复合介质基板材料。