1037型玻璃纤维布增强PTFE复合基板的制备

庞子博 杨东海 马春喜 张志鹏

(中国电子科技集团公司第四十六研究所，天津，300220)

聚四氟乙烯(PTFE)具有优异的化学惰性、耐候性、热稳定性、难燃性、不黏性和自润滑性[1]。而且PTFE具有已知树脂中最低的相对介电常数(εr为1.800～2.200)，并且其损耗因子小于0.000 50、体积电阻高达1018Ω·cm、表面电阻大于1016Ω[2-4]。因此，通常选用PTFE树脂作为低介低损基板的基材。然而，PTFE存在以下缺点：a) 熔点高且黏度大，熔融时需要加很大的压力才能勉强使其微微流动；b) 质地较软、力学性能较差；c) 和铜箔的线膨胀系数相差较大，制成印制电路板后尺寸涨缩较大[5-8]。因此，基于PTFE树脂的基板难以加工成型，对设备和工艺的要求较高。

美国多家企业已开发出多款低介低损基板产品并得到广泛的应用，例如美国Rogers公司的RT/duroid 5000系列、DiClad系列、CuClad系列等产品，它们均具有小于2.700的相对介电常数和小于0.002 00的损耗因子，已广泛应用于天线、滤波器、调制器、混频器等组件的研制[9-13]。

下面以1037型玻璃纤维布增强PTFE浸渍片、PTFE薄膜和铜箔等为原料，通过改变原料比例，采用相同热压烧结程序制得了介质层厚度约0.250 mm、相对介电常数2.120～2.540、损耗因子不大于0.001 40的一系列基板，数据拟合后发现，复合基板介质层相对介电常数与原料体积分数之间的关系符合Lichtenecker对数法则。

1 试验部分

1.1 主要原料及仪器设备

1037型玻璃纤维布增强PTFE浸渍片(以下简称“1037布浸渍片”)，单位面积质量为58 g/m2，自制；PTFE薄膜，厚度为25 μm，上海华尔卡氟塑料制品有限公司；电解铜箔，厚度为35 μm，THE，山东金宝电子股份有限公司。

真空层压机，VLP-150，活全机器股份有限公司；网络分析仪，N5230C，安捷伦科技有限公司；带状线法测试夹具，自制；数显外径千分尺，340-521，三丰量具中国有限公司。

1.2 复合基板介质层层叠结构的设计

由于PTFE即使被加热到熔点之上其流动性也很差，并且层压后1037布浸渍片和PTFE薄膜厚度均为25 μm左右，因此在设计介质层目标厚度约为0.250 mm的复合基板时，可将介质层视为由10层厚度为25 μm的料片叠合层压而成。为了提高铜箔的抗剥强度和层间结合强度，将这10层料片中靠近铜箔的2层确定为PTFE薄膜，剩下的8层中1037布浸渍片层数不少于2层。图1为复合基板介质层层叠结构设计示意。

为了在介质层层叠结构设计过程中便于标记和容易理解，约定简记规则如下：1) 将1037布浸渍片用字母A简记，将PTFE薄膜用字母B简记；2) 10层料片自上而下的层叠顺序用简记字母从左往右依次标记；3) 当邻近的几层是相同材质料片时，相同材质料片的层数用下标表示。例如，10层料片中间8层均为1037布浸渍片时，介质层层叠结构可简记为BA8B。

在设计复合基板介质层层叠结构时，一般要使层叠结构具有较高的对称性。应尽量使料片对称分布，不对称的部分尽量分布在中部。例如，10层料片中间有7层为1037布浸渍片、1层是PTFE薄膜时，层叠结构应设计为BA3BA4B。表1中列出了所有可能的介质层层叠结构及1037布浸渍片的体积分数。

表1 0.250 mm基板的介质层层叠结构设计

1.3 料片的多层叠合与层压

图2为料片叠合与层压工艺流程。

首先将1037布浸渍片和PTFE薄膜裁切成尺寸为200 mm×200 mm的薄片。按表1的层叠结构设计，将裁切好的1037布浸渍片和PTFE薄膜依次进行叠合，并在其上下表面分别覆盖铜箔，将层叠好的材料置于两张镜面钢板之间，放入真空层压机中，升温速率3 ℃/min，最高温度375 ℃，压力5 MPa，保温时间3 h，降温速率1 ℃/min[14]。冷却至25 ℃，得到复合基板。

1.4 测试与表征

介电性能测试按照GB/T 12636—1990进行，频率范围1～20 GHz。

厚度测试：选距离基板边缘(20±5) mm的一角和边的厚度，各测量3次，取平均值。

2 结果与讨论

2.1 复合基板的介电性能

表2为复合基板介质层厚度与介电性能。

表2 复合基板介质层厚度与介电性能

由表2可以看出：7种层叠结构的介质层厚度为0.252～0.259 mm，符合要求(厚度约0.250 mm)；7种层叠结构的相对介电常数为2.127～2.538，且随着1037布浸渍片使用比例的提高而增大；7种层叠结构的损耗因子为0.000 26～0.001 18，均低于0.002 00。

2.2 Lichtenecker对数法则及数据拟合结果

复合材料相对介电常数的理论模型及经验拟合公式较多，如Lichtenecker对数法则、Jayasundere-Smith模型、Maxwell-Wagner模型和Bruggeman方程等。其中，Lichtenecker对数法则如公式(1)所示：

(1)

公式(1)中：εr为复合材料的相对介电常数；εri为各组分的相对介电常数；Vi为各组分的体积分数，%。

复合基板介质层中只有1037型玻璃纤维布和PTFE树脂两种原料，为了便于计算，也可以将两种原料视为1037布浸渍片和PTFE薄膜，于是可以将公式(1)改写成：

ln(εr)= [ln(εrA)-ln(εrB)]VA+ ln(εrB)

(2)

公式(2)中：εr为复合基板介质层的相对介电常数；VA为1037布浸渍片的体积分数，%；εrA和εrB分别为1037布浸渍片和PTFE薄膜的相对介电常数。

将复合基板介质层的相对介电常数取自然对数(如表2所示)，并对1037布浸渍片的体积分数作图(如图3所示)。

结合图3，采用线性关系进行数据拟合，所得拟合方程为ln(εr) = 0.294 5VA+ 0.701 2，并且R2=0.996 2，即相关度R为0.998 1，这说明复合基板介质层相对介电常数的自然对数随1037布浸渍片体积分数呈线性变化，符合Lichtenecker对数法则。

此外，基于拟合方程可以得出ln(εrA)=0.995 7和ln(εrB)=0.701 2，进而解出εrA=2.707和εrB=2.016，说明：1) 所采用的1037布浸渍片的相对介电常数为2.707。若层叠结构中10层原料均为该玻璃纤维布浸渍片，基板介质层的最大相对介电常数约为2.700；2) 所采用的PTFE薄膜的相对介电常数为2.016，与公知的PTFE相对介电常数(1.800～2.200)相符；3)基于所采用的1037布浸渍片和PTFE薄膜可以制备出相对介电常数为2.000～2.700的一系列低介低损复合基板，为研制相对介电常数2.200，2.330，2.400，2.450，2.500，2.550等规格的复合基板奠定了配方基础。

3 结论

a) 通过调整玻璃纤维布增强PTFE浸渍片、PTFE薄膜等材料比例，采用层压法制备出一系列介质层厚度0.250 mm、相对介电常数2.120～2.540、损耗因子不大于0.001 40的复合基板。

b) 复合基板介质层相对介电常数与原料体积分数之间关系符合Lichtenecker对数法则。