聚四氟乙烯覆铜板发展概况

李 苗，邹嘉佳，刘建军，程明生

（中国电子科技集团公司第三十八研究所，合肥 230031）

1 前言

覆铜层压板是在绝缘材料一面或两面覆以铜箔，在一定温度和压力下经层压而成的一种板状材料。作为印刷电路板（PCB）用基板材料，其已成为电子信息产品互联载体的重中之重，其性能直接影响产品的可靠性。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基板无法满足使用要求，其逐渐被高速化、高可靠性的微波复合介质基板替代。聚四氟乙烯(PTFE)材料具有损耗低、介电常数稳定、化学稳定性高、吸水率低和耐候性好等诸多优点，1960年美国杜邦公司首次将其用于制造耐热、低介电常数的印制板，主要用于军事、航空航天等领域。上世纪末，Rogers公司研制出PTFE微波复合陶瓷介质基板，该基板除基础支撑作用外，还可直接制成滤波器、混频器、天线的接收和发射组件等各种功能性器件，深受微波设计人员的青睐。随着PTFE研发技术以及通信技术的不断发展，国内外人员对PTFE覆铜板进行了大量研究[1-6]。本文根据国外PTFE覆铜板的研发情况，对PTFE覆铜板进行分类，着重介绍国内PTFE覆铜板发展概况及面临的挑战，并对PTFE覆铜板的发展趋势进行了简单介绍。

2 PTFE覆铜板分类

美军标MIL-P-13949根据不同玻纤增强方式将PTFE覆铜板分为三大类，如表1所示。

表1 美军标MIL-P-13949关于PTFE覆铜板的分类

随着电子产品对覆铜板提出更高的要求，如高频、高速、多功能等，国外厂家不断改善PTFE覆铜板的性能并开发新的产品。目前各厂家供应的PTFE覆铜板种类繁多，型号琳琅满目，部分产品已超出上述标准分类的范畴。但究其材料组成，PTFE覆铜板主要包括玻纤增强型(玻纤/PTFE型)和陶瓷粉填充型(包括陶瓷/PTFE型、陶瓷/玻纤/PTFE型)两大类。图1为知名覆铜板厂商Rogers(包括并购的Arlon公司产品)、Taconic公司所开发出的部分商用覆铜板类型[8-9]。

PTFE虽然具有优良的电气性能，但由于其玻璃转化温度（Tg）很低，刚性很差、机械强度不够，这就决定了其苛刻的加工条件，严重影响覆铜板的使用可靠性。因此，在PTFE基材中添加玻纤增强材料是解决以上问题的方案之一[10-12]。玻纤增强型覆铜板主要包括玻璃短纤维增强和玻纤布增强两种形式。玻璃短纤维在PTFE树脂内的随机分布可增加覆铜板的机械加工精度，为电路应用和生产过程提供最大的强度增强。代表性产品有 Rogers公司 RT/duroid®5870(Dk/Df，2.20±0.02/0.0009) 和 RT/duroid® 5880(Dk/Df，2.33/0.0012)覆铜板。相比玻璃短纤维增强，多家企业更倾向于采用玻纤布增强形式。虽然玻璃短纤维各向同性好，Z轴CTE相对较低，但玻纤布较玻璃短纤维更利于加工，所制成的板材尺寸稳定性更好。合理控制玻纤布和PTFE比例含量可以使覆铜板获得理想的介电常数。代表性的产品有Rogers公司的CuClad®系列覆铜板(Dk，2.17～2.60)，Taconic 公司的 TLY 系列(Dk，(2.17～2.20)±0.02)。

图1 Rogers、Taconic公司部分PTFE覆铜板分类

由于 PTFE 热膨胀系数(CTE，100×10-6/℃)很大，与铜箔（CTE，16×10-6/℃）不匹配，严重影响了器件焊接的可靠性。且随着微波电路工作对覆铜板提出了耐热等性能指标，陶瓷粉填充型PTFE覆铜板应运而生[13-16]。陶瓷粉填充型PTFE覆铜板主要包括陶瓷/PTFE型和陶瓷/玻纤/PTFE型两种。介电常数范围较宽，可满足不同产品对高低不同介电常数性能的要求。陶瓷/PTFE型产品有Rogers公司的RO3003TM(Dk/Df，3.00±0.04/0.0010)、RO3006TM(Dk/Df，6.15 ±0.15/0.0020)、RO3010TM(Dk/Df，10.20±0.30/0.0022)，该类型产品随温度变化拥有出色的介电常数稳定性。目前，陶瓷/玻纤/PTFE型覆铜板市场应用较广。代表性的产品有Rogers公司的 RT/duroid®6002(Dk/Df，2.94/0.0012)覆铜板，PTFE基体中填充陶瓷粉和玻璃短纤维，该产品拥有出色的电气和机械性能，可满足微波电路的严格要求，获得了市场的广泛认可；此外，RT/duroid®6006(Dk/Df，6.15±0.15/0.0027)、RT/duroid®6010LM(Dk/Df，10.20±0.25/0.0023)具有高介电常数、低介质损耗、低吸水率以及良好的机械热稳定性；陶瓷/玻纤布/PTFE型CLTE系列覆铜板，其中 CLTE-XTTM(Dk/Df，2.94/0.0012)除保持良好机械稳定性外还获得了更低的介质损耗，CLTE-MWTM(Dk/Df，(2.94～3.02)±0.04/0.0015)覆铜板采用开玻纤布，与填料混合更加均匀，降低电磁传播的高频玻纤效应影响；特定陶瓷填料/玻纤布/PTFE型AD系列覆铜板，该系列产品具有介电常数范围广（2.50～10.20）、低损耗（0.0014～0.0030@Z10 GHz）、可靠性高等优点，可满足设计者不同的需求。

3 PTFE覆铜板国内发展概况

自PTFE材料引入PCB基板材料以来，国外针对PTFE覆铜板的研发和生产已有近60年的历史，国外企业包括Rogers、Taconic、Neltec等对其展开了大量研究，掌握了关键技术和核心知识产权[17-18]，其产品几乎垄断了PTFE覆铜板的市场。与国外相比，国内研发PTFE覆铜板开始较晚，但随着PTFE覆铜板市场的逐步扩大，国内逐渐重视微波覆铜板的开发。

国内研究单位如电子科技大学、华南理工大学、西北工业大学、南京工业大学、中国电科第46所等[19-22]都对PTFE覆铜板进行了一些研究，研究内容主要集中在PTFE覆铜板成分调配和工艺参数的摸索上，包括PTFE含量、填料种类和含量、有机-无机界面状态、成型工艺路线和工艺参数等；部分可实现小批量生产，并获得相关专利，但要实现商用批产，工艺路线稳定性和产品可靠性、一致性等关键问题亟需突破。

国内PCB企业如泰州旺灵、常州中英等大力开发PTFE覆铜板产品[23]，形成了PTFE系列产品体系，在国内市场上占有率逐步增大。泰州旺灵的PTFE产品包括玻纤布增强PTFE树脂系列(F4B-1/2(Dk/Df，2.55、2.65/≤0.0015)、F4BMX-1/2(Dk/Df，2.17～2.20/≤0.0010，2.45～3.00/≤0.0014))和玻纤布/PTFE/纳米陶瓷复合介质 基 板 (F4BM-2-A (Dk/Df，2.55～2.85/≤0.0015，2.94～3.00/≤0.0020))等系列产品。常州中英PTFE高频覆铜板产品包括纯PTFE树脂类 (ZYF-D(Dk，2.14～2.65)、ZYF-A(Dk，2.14～2.65))、PTFE/纳米陶瓷填料类(ZYF-CA(Dk，2.17～2.66))等产品。广东生益与日本中兴化成合作推出了 GF77G(Dk/Df，2.28±0.04/≤0.0012)系列产品，具有较低的介电常数和介质损耗，是一种适用于毫米波电路的高频基板。

总的来看，国内PTFE覆铜板产品与国外产品还有很大差距，主要表现在：覆铜板品种相对单一(原材料依赖进口、结构组成单一、介电常数覆盖范围窄等)，产品质量稳定性、一致性欠佳，产品可靠性（CTE稳定性、Dk稳定性等）有待提高，部分高端领域用产品仍存在空白等。可见，要突破欧美等国外企业的长期垄断，实现PTFE覆铜板国产化，我国PCB企业仍面临着巨大的挑战。首先是原材料及生产设备方面的挑战，例如开发低介电常数、低损耗的玻纤增强材料或有机纤维，开发多样化填料，开发超光滑铜箔以及研发覆铜板生产设备等。其次是覆铜板结构设计和工艺路线方面的挑战。随着市场需求的多样化，对覆铜板的介电性能、导热性、CTE、可加工制造性等方面提出了更高的要求。发展玻纤增强技术、填料技术，开发可靠的工艺路径，实现覆铜板结构的多样化，才能满足不同市场的需求。最后是覆铜板可靠性、一致性方面的挑战。国内PTFE覆铜板产品性能的稳定性与可靠性欠佳。除了从技术上进行根本突破外，还必须加强过程管控。

4 PTFE覆铜板发展趋势

随着不断发展的通信市场，如5G无线通信、车载雷达系统等的发展，工作频段从MHz向GHz高频段演进，作为互联载体的基板材料必须不断改善产品性能、开发新产品才能满足高频段应用的需求。根据国内外市场上推出的PTFE覆铜板，本文总结其发展趋势主要有以下几点[24-26]。

4.1 基板多层化

PCB板逐渐朝多层化方向发展，这就要求基板材料能够进行复杂的结构加工，如何保持良好的介电性能、改善CTE值、提高机械加工性能，一直是PTFE覆铜板企业必须攻关的关键技术。Taconic公司研制出了纳米级填料PTFE覆铜板，其纳米填料比例(90%)远高于PTFE树脂含量，提高了加工可靠性，层压后铜箔表面光滑，降低了传输损耗。此外，Rogers公司采用空心球填充技术，大大降低了Z向的CTE值，通过改善尺寸稳定性提高了覆铜板的加工性能。

除改变基板材料本身的加工性能外，开发PTFE多层板用粘结片也是各大企业发展的热门方向。如Taconic公司开发的FastRise系列粘结片，由上下两层热固树脂加中间改性PTFE膜组成，具有优异的加工性能，适用于制造微波多层板。

4.2 基板可靠性和尺寸一致性

不管是高频微波信号传输还是宽温度范围应用环境的需求，都对基板材料提出了高可靠性、一致性的要求。提高尺寸稳定性，保证稳定的介电常数，进而满足可靠性与一致性的要求，是发展PTFE覆铜板的必然趋势。Rogers公司提出衡量材料Dk随温度变化的参数——介电常数温度系数(TCDk)，其开发的陶瓷填充PTFE覆铜板RO3003TM，无玻纤补强，具有低CTE值、低吸水性和极低的TCDk(-3×10-6/℃，-50℃～150℃)，可保证板材在宽温度范围工作时电气性能稳定，可靠性高。

4.3 赋予产品特定的性能

电子产品向小型化、集成化、高速低功耗方向发展，小空间大功率必然会造成热量聚集，微波基板材料作为互联载体，需赋予其高散热性这一新功能。Rogers公司开发出具有耐高温/高导热性的PTFE型覆铜板以及底基附铝板的金属基PTFE型覆铜板，产品有 RT/duroid®6035HTC、RO3006HTCTM、TC350TM、TC600TM等，是应对高导热性微波基板材料市场需求的热管理解决方案。

4.4 低成本

PTFE覆铜板由于其特殊的性能，导致其加工困难、成本较高。随着混合树脂基材多层板的运用与非PTFE树脂覆铜板引入高频微波基板市场，PTFE覆铜板所面临的形式更加严峻。如何提高覆铜板综合性能、降低生产成本是各大企业提升其产品市场竞争力的有力手段。高频电路用多层板采用PTFE微波基板+FR4型覆铜板不同树脂复合的结构形式，不仅能够实现多层化，还可以降低成本，但同时也对多层板的层间结合力和尺寸稳定性提出了更高的要求。

5 结束语

PTFE覆铜板作为一种介电性能优异的基板材料，具备传统FR4基板等所不具备的特性，非常适合应用于微波电路中。自PTFE材料引入覆铜板以来，国外业界高度重视，以Rogers公司为代表，在PTFE覆铜板结构设计和功能开发上积累了大量经验，开发了一系列产品，基本垄断了国内市场。高频微波基板市场的逐步扩大对PTFE覆铜板不断提出新的要求，促使其朝高可靠性、多功能、多层化和低成本等方向发展。虽然国内开始研发PTFE覆铜板时间较晚，在新产品开发、技术水平和生产设备等方面与国外仍有很大的差距，但随着现代通讯技术的飞速发展以及国家对微波介质基板研发的有力支持，国内覆铜板的研发也面临着新的发展机遇。

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