5G用高频高性能覆铜板基体材料的调研

摘 要：5G通信、无人驾驶、物联网、X波段雷达/卫星等终端电子产品对微波复合介质材料覆铜板性能提出了新要求，但制约其发展的关键材料是基体材料，经调研发现众多基体树脂材料中聚四氟乙烯极具潜力，应作为关键改性研究发展的覆铜板基体材料。

关键词：5G；高频高性能；覆铜板；基体树脂材料；

随着全球电子工业的迅猛发展，传统独立单一组分制备的微波介质材料难以满足市场要求，逐渐被聚合物与陶瓷材料组成的微波复合介质材料取代。微波复合介质材料因其依托有机聚合物的优良物理化学性能（如柔韧性优异、化学稳定性较高、可加工性能较高等）以及微波介电陶瓷优异的介电性能（如较适合的介电常数、较低的介电损耗、近乎零的谐振频率温度系数等）能较好的满足微波通信行业领域相关设备对材料介电性能的要求，特别是其能解决微波介电陶瓷的脆性导致了材料加工较难的问题，在微波通信技术领域备受关注。特别是近几年来，信息技术的革命性发展趋势，在微波介质材料领域，越来越多的电子元器件也需要具备优异微波介电性能、良好的力学性能和良好的加工性能。如介电薄膜器件、介电基板器件、介质天线、相阵控雷达、覆铜箔层压板（简称覆铜板）等。

在手机通讯技术领域，5G手机通讯时代即将到来，全球5G产业总体市场投资规模将急剧增大，其中中国5G产业总体投资规模也将超过万亿美元。据海外科技媒体报道，美国的高通公司已突破了5G技术壁垒并发布了第一款5G智能手机毫米波天线模块（QTM052），这将使超快速的5G手机成为现实。5G手机通讯时代的到来，也将极大地促进电子化学产品品、特种树脂、复合玻璃纤维、复合陶瓷粉料、聚四氟乙烯等相关市场消费的快速增长。作为电子元器件行业中的“钢筋水泥”，覆铜板市场将迎来新一轮研发热潮，其基体树脂材料典型代表是环氧树脂（Epoxy Resin）和聚四氟乙烯（Polytetrafluoroethylene，简称PTFE）。5G覆铜板则对基体原材料提出了更高要求，如低/高介电常数、低介电损耗、频率稳定性、尺寸稳定性、热稳定性、高耐热、低吸水、耐候性好、可加工性能好、绿色环保等。因此，笔者通过对覆铜板的基体树脂材料深入调研，发现传统的环氧树脂基覆铜板已无法满足5G通信、无人驾驶、物联网、X波段雷达/卫星等终端电子产品要求，也无法满足高密度互联（HDI）、高频高速、大功率高耐热的多层PCB板的应用要求。目前能满足要求的覆铜板主要是一些新型树脂基材料制备而成的，主要包括热塑性树脂聚酰亚胺（PI）、聚醚砜（PES）、聚醚醚酮（PEEK）、聚苯醚（PPE）、液晶聚合物（LCP）等工程塑胶材料和高频率材料PTFE等，其中PTFE具有最好的频率稳定性。

覆铜板主要是由基体树脂材料、增强材料和铜箔三部分组成。其中，基体树脂材料的主要作用是经过一系列复杂的物理化学变化，将增强材料粘接在一起，最后形成具有特定强度的基板。目前备受行业关注的基体树脂材料体系主要有：

1.传统环氧树脂基材料

环氧树脂基覆铜板主要应用于线路板基板材料中，占据较大的比例[1，2]。一方面是由于它具备优异的机械加工强度、化学稳定性、粘结性、耐磨性、耐高低温、电气绝缘性能，另一方面是因为它比其它高性能树脂价格便宜、易于加工和改性等优势[2-4]。环氧树脂属于高分子材料，在经过60多年发展，形成了一系列的种类，得到了不同性能和粘度的环氧树脂。环氧树脂归纳起来可分为双酚型缩水甘油醚、脂肪族缩水甘油醚、多酚型缩水甘油醚、缩水甘油酯型环氧、缩水甘油胺型环氧、杂环型和混合型、环氧化烯烃化合物、阻燃型环氧、水性环氧和其他环氧，在电子通讯、航天航空、建筑、轻工等领域得到广泛的应用[4] 。但是环装树脂也存在着致命的缺陷，固化后其交联密度较髙且呈三维网状结构，存在较大的内应力、质脆，耐冲击性、耐热性、耐湿热性、耐疲劳性差，以及剥离强度、开裂应变低和表面能较高，在较大程度上限制了其在高科技领域的应用，特别是在5G用高频高性能微波复合介质材料覆铜板中的应用[2] 。

2.热塑性树脂聚酰亚胺（PI）[1]

热塑性树脂聚酰亚胺（PI）是一种由均苯四甲酸二酐和芳香二胺聚合而成的高分子化合物，其含有多重芳香杂环结构单元，具有极佳的耐热性，其玻璃化温度一般在260℃以上，能适用于温度较高的电路应用。同时PI也具备较佳的介电性能、较良好的尺寸稳定性能，PI基覆铜板应用于大型计算机中。然而，PI基覆铜板虽然在大型计算机和线路板基板中广泛应用，但是在制造和处理的过程中，也会因应用于覆铜板时其热膨胀系数与电子元器件膨胀系数的巨大差异，导致产品中存在较大的内应力，从而出现电路剥离或裂纹的现象，甚至严重断裂，极大地影响PI基覆铜板的性能。

3.聚苯醚树脂（PPE）

聚苯醚是由2，6-二甲基苯酚经氧化偶联或醚化反应缩聚而成[1，5]。PPE具有较高的玻璃化温度、较低介电常数与损耗因子、稳定性良好的尺寸、较低的吸水率、耐酸耐碱等优异性能，在高频基板材料中具备较大的应用潜力。聚苯醚属于非结晶聚合物，在熔融处理过程中几乎不结晶，因其对称结构造成的空间位阻较大，虽然具有优良的力学性能，但是溶解性特差，使其在加工成型时较为困难，其熔点与玻璃化温度很接近，很难达到覆铜板加工温度[6] 。

4.聚四氟乙烯（PTFE）

聚四氟乙烯是一种超高分子量的高聚化合物，其分子结构是由-CF2-重复单元紧密构成的，其结构长程有序排列，也可认为是四个完全对称的取向氟原子中心连接一个碳原子。PTFE的分子结构中F-C键极性小、键能高，因而其具备极低的表面自由能和优异的耐热性。另外，PTFE无真正的Tg，在0-327℃的使用温度下性能稳定，且长期在250℃以上保持良好的低温柔韧性和良好的耐低温性能；由F原子对C-C主链的屏蔽保护，赋予其优良的耐化学腐蚀性（如耐酸碱、耐有机溶剂）；优异的电气性能、优异的抗老化和耐辐射性能、吸水率极低和良好的耐雨蚀性；PTFE的体积电阻率和表面電阻率均较高，在较宽频率及温度下相关参数均保持不变，具备较好的频率温度稳定性，同时其介电常数在1.8～2.2、极低的介电损耗（tanδ～10-4数量级）。PTFE由于具有综合性能优异的优势，在覆铜板的基材树脂材料应用中优势非常明显。PTFE虽然具备独特和优异的结构与性能，但是同样存在缺陷：机械性能差（硬度较低、模量较低和拉伸强度较低）；线性膨胀系数较大，甚至可达到钢的13倍，导致其极易在与其他材料形成微波复合介质材料时发生变形和开裂等现象；耐磨性和耐蠕变差，导热性差和界面粘接性差等[1，6，7]。

因市场与国家战略布局需求，5G与毫米波应用覆铜板的创新发展和技术突破迫在眉睫。因此，对5G用高频高性能覆铜板基体材料应选择聚四氟乙烯（PTFE）作为主打基体材料，并结合PTFE材料的缺点进行改性，如采用共混改性、陶瓷类改性法、高性能纤维增强改性等。同时以聚四氟乙烯为依托，开展填料组分设计技术研究、可控制备技术研究（如晶体结构可控制备，形貌可控制备，晶型、结晶度可控，无机填料粒度控制等）、复合材料配方设计、复合材料均匀制备以及有机/无机界面改性等，让中国的5G用高频高性能微波复合介质覆铜板早日实现量产，实现5G手机通讯时代。

参考文献：

[1] 田勇.覆铜板用聚苯醚/环氧树脂体系研究[D].华南理工大学，2006.

[2] 莫晶朝.高频覆铜板用聚苯醚改性环氧树脂复合材料的制备和性能[D].浙江大学，2013.

[3] 薛忠民，曾鸿鸣.国内外环氧树脂生产应用现状[J].玻璃钢/复合材料，1999，2：43.

作者简介：

傅小龙，材料物理与化学专业，硕士，工程师，教师，主要从事压电陶瓷材料、微波介质材料、功能涂层材料、半导体光电器件等研究工作，从事半导体、光伏发电、光电器件、新能源等领域的教学工作。

（作者单位：江西工程学院新能源与环境工程学院）