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        新型低介電玻璃纖維的研究與應(yīng)用*

        2021-08-25 03:19:34樊振華韓利雄曾慶文田中青李曉丹何建明曹磊磊
        玻璃纖維 2021年4期
        關(guān)鍵詞:介電常數(shù)極化成形

        樊振華,張 聰,韓利雄,曾慶文,田中青,李曉丹,何建明,曹磊磊,劉 也,張 燕

        (1. 重慶國(guó)際復(fù)合材料股份有限公司,重慶 400082;2. 重慶理工大學(xué),重慶 400054;3. 重慶工商大學(xué),重慶 400020;4. 重慶方正高密電子有限公司,重慶 401332)

        0 前言

        電子級(jí)玻璃纖維是一種鋁硼硅酸鹽系統(tǒng)的玻璃纖維,因其良好的耐熱性能和抗腐蝕性能,以及抗拉強(qiáng)度高、電絕緣性能好等特點(diǎn),在電子工業(yè)中被廣泛應(yīng)用于基板材料,主要用作印刷電路板、電子包裝材料、雷達(dá)天線罩等樹(shù)脂基復(fù)合材料的增強(qiáng)體[1]。目前,使用量最大的電子級(jí)玻璃纖維是E玻璃纖維,其介電常數(shù)在7左右,介電損耗約為10-3。近十年來(lái),隨著電子信息產(chǎn)業(yè)飛躍發(fā)展,電子器件使用的電磁波頻率越來(lái)越高,能量密度越來(lái)越大。為了減少信號(hào)傳輸?shù)臏蠛蛷?qiáng)度的衰減,要求電子級(jí)玻璃纖維在高頻下具有更低的介電常數(shù)εr(5左右)和介電損耗tanδ(<10-3)[2-5]。這是因?yàn)榻殡姵?shù)越小,信號(hào)傳播速度越快,介質(zhì)損耗越小,信號(hào)傳播損耗越?。?]。

        在玻璃中,石英玻璃的介電常數(shù)低至3.8,介電常數(shù)最優(yōu),但其因作業(yè)溫度及超高成本而無(wú)法大批量生產(chǎn)[7]。D玻璃的介電常數(shù)是4.1,介電損耗為8×10-4左右,但存在以下缺點(diǎn):鉆孔性能差,不利于后續(xù)加工、工藝性差,生產(chǎn)成本很高、耐水性也很差,主要用于軍事工業(yè),難于在民用領(lǐng)域擴(kuò)展。因此國(guó)內(nèi)外將開(kāi)發(fā)介電性能與D纖維相當(dāng),可紡性、工藝性、耐水性等性能同E玻璃纖維相當(dāng)?shù)男滦碗娮蛹?jí)低介電玻璃纖維作為發(fā)展的重點(diǎn)[8,9]。

        新型低介電常數(shù)玻璃纖維的制造技術(shù)是一項(xiàng)多學(xué)科相互交叉、相互滲透、相互促進(jìn)的高新技術(shù),產(chǎn)品也可廣泛用于高級(jí)計(jì)算機(jī)、通訊、衛(wèi)星定位與接收系統(tǒng)等航空、航天與國(guó)防尖端工業(yè)部門(mén)。目前國(guó)外能夠生產(chǎn)新型電子級(jí)低介電常數(shù)玻璃纖維的公司只有日本日東紡織株式會(huì)社[10]、美國(guó)AGY控股公司[11]、美國(guó)PPG公司[12,13]。由于該產(chǎn)品在航空航天與國(guó)防尖端工業(yè)部門(mén)有廣泛的應(yīng)用,國(guó)外對(duì)我國(guó)一直采取技術(shù)封鎖及產(chǎn)品壟斷政策,相關(guān)技術(shù)文獻(xiàn)公開(kāi)報(bào)告的很少。

        南京玻纖院曾研發(fā)了D2、D3、Dk 3種低介電常數(shù)玻璃纖維,基本上解決了用RTM及纏繞工藝生產(chǎn)雷達(dá)罩對(duì)低介電玻璃纖維的要求。國(guó)內(nèi)其他研究機(jī)構(gòu)針對(duì)印刷電路板用低介電常數(shù)玻璃纖維申請(qǐng)了部分專(zhuān)利,但僅四川玻纖集團(tuán)有限公司采用坩堝拉絲工藝完成了中試生產(chǎn),其他單位目前還局限在實(shí)驗(yàn)室研究,未進(jìn)入產(chǎn)業(yè)化批量生產(chǎn)階段。

        重慶國(guó)際復(fù)合材料股份有限公司(CPIC)和重慶理工大學(xué)等單位通過(guò)產(chǎn)學(xué)研合作,成功開(kāi)發(fā)出了具有先進(jìn)水平的低介電玻璃纖維HL,并成功實(shí)現(xiàn)了規(guī)?;a(chǎn)。HL玻纖的介電常數(shù)低于4.8,介電損耗因子小于0.001。與同行業(yè)產(chǎn)品相比,具有較低的介電常數(shù)、較高的化學(xué)穩(wěn)定性等諸多優(yōu)勢(shì)。本文介紹了該產(chǎn)品的組成設(shè)計(jì)、性能特點(diǎn)及其應(yīng)用,以期對(duì)同行有所借鑒。

        1 低介電玻璃纖維的組成設(shè)計(jì)

        研究發(fā)現(xiàn),玻璃的電學(xué)性能和工作參數(shù)無(wú)法兩全,即當(dāng)電學(xué)性能滿足要求時(shí),玻璃中由于較低質(zhì)量分?jǐn)?shù)的堿金屬和堿土金屬離子而使成纖溫度過(guò)高;反之,為了使玻璃具有合適的成纖溫度,提高玻璃中的堿金屬和堿土金屬離子的質(zhì)量分?jǐn)?shù)時(shí),電學(xué)性能又受到了影響。因此,開(kāi)發(fā)新的具有優(yōu)良工藝性和操作性、耐水性良好的低介電常數(shù)玻璃纖維需要綜合考慮兩方面因素。對(duì)這種新型低介電常數(shù)玻璃纖維,應(yīng)該滿足以下條件:(1)工藝性能:成型溫度<1 350 ℃,成形溫度與析晶上限溫度之差>50 ℃;(2)物理化學(xué)性能:介電常數(shù)<5,介電損耗<10-3,耐水性和E玻璃相當(dāng)。開(kāi)發(fā)出新的合理的玻璃配方是低介電玻璃纖維能夠規(guī)模化生產(chǎn)的最關(guān)鍵因素之一。

        為了實(shí)現(xiàn)玻璃組成的快速設(shè)計(jì),本研究采用了數(shù)據(jù)回歸分析方法,探索玻璃組分與工藝性能、介電常數(shù)、介電損耗等的關(guān)系,指導(dǎo)組成設(shè)計(jì)。收集了日本東紡、美國(guó)AGY、法國(guó)圣戈班維特羅特斯、臺(tái)玻、四川玻纖、泰山玻纖等各個(gè)公司的配方組成數(shù)據(jù)。對(duì)收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析及擬合,獲得玻璃的主要組分與性能的關(guān)系。

        對(duì)數(shù)據(jù)回歸分析后發(fā)現(xiàn)在SiO2-Al2O3-B2O3-RO體系中,介電常數(shù)主要與堿土金屬(RO)和B2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)有關(guān),如圖1和圖2所示。介電常數(shù)與RO的質(zhì)量分?jǐn)?shù)成正相關(guān)關(guān)系,與B2O3的質(zhì)量分?jǐn)?shù)成負(fù)相關(guān)關(guān)系。

        圖1 介電常數(shù)和RO質(zhì)量分?jǐn)?shù)的相關(guān)性

        圖2 介電常數(shù)和B2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)的相關(guān)性

        對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合后發(fā)現(xiàn)介電常數(shù)和堿金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)之間滿足如下的關(guān)系式:

        介電常數(shù)和B2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)之間則滿足如下的關(guān)系式:

        根據(jù)式(1)可以計(jì)算出,介電常數(shù)如果要小于5,則RO的質(zhì)量分?jǐn)?shù)應(yīng)低于9.16%。根據(jù)式(2)可以計(jì)算出,介電常數(shù)如果要小于5,B2O3的質(zhì)量分?jǐn)?shù)應(yīng)高于17.91%。但是如果B2O3的質(zhì)量分?jǐn)?shù)太高,則硼揮發(fā)嚴(yán)重,會(huì)嚴(yán)重影響產(chǎn)品的均勻性和拉絲過(guò)程,因此應(yīng)將B2O3的質(zhì)量分?jǐn)?shù)限制在25%以內(nèi)。

        而成形溫度則和RO與SiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)有關(guān),如圖3所示。成形溫度TF和SiO2與RO質(zhì)量分?jǐn)?shù)之間有如下的關(guān)系:

        圖3 成型溫度和SiO2與RO質(zhì)量分?jǐn)?shù)的相關(guān)性

        據(jù)式(3)可以計(jì)算出,如要成形溫度小于1 350℃,則當(dāng)RO的質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于9.16%時(shí)(保證介電常數(shù)小于5), SiO2的質(zhì)量分?jǐn)?shù)應(yīng)該不高于56.46%。為了保證玻璃纖維有滿足需要的強(qiáng)度,必須有足夠的SiO2形成網(wǎng)絡(luò),SiO2的質(zhì)量分?jǐn)?shù)應(yīng)該不低于50%。

        較高的SiO2和B2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)容易造成原子尺度上的不均勻,拉絲過(guò)程中容易分相,化學(xué)穩(wěn)定性也較差,因此需要引入適量的網(wǎng)絡(luò)中間體Al2O3。根據(jù)前面推出的SiO2、B2O3和RO質(zhì)量分?jǐn)?shù)的最大值,可以得出Al2O3的最小質(zhì)量分?jǐn)?shù)為9.38%。為了進(jìn)一步降低玻璃熔體的粘度和成形溫度,可引入適量的堿金屬氧化物(R2O)和氟化鈣。為了不引起介電損耗的增加,R2O和CaF2之和不超過(guò)1.5%。根據(jù)以上的分析結(jié)果,結(jié)合實(shí)驗(yàn),優(yōu)選得到了如下的具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的低介電玻璃纖維HL組成[14]:52%~57%的SiO2、11%~16%的Al2O3、15%~20%的B2O3、0~4%的CaO、0~7%的MgO以及其他微量組分。制備了具有代表性的HL1-6,如表1所示。

        表1 HL低介電玻璃纖維的成分

        2 HL低介電玻璃纖維的性能

        2.1 HL低介電玻璃纖維的介電性能

        開(kāi)發(fā)的HL低介電玻璃完成了介電測(cè)試性能測(cè)試,如表2所示。在1MHz的高頻條件下,玻璃的介電常數(shù)主要決定于電子位移極化和離子位移極化,電子位移極化與離子半徑的立方成正比(也可以用離子折合度表示),而離子位移極化與正負(fù)離子的折合質(zhì)量成反比。由于Si4+、B3+、Al3+等離子為高場(chǎng)強(qiáng)離子,離子的可遷移性非常弱,所以其介電常數(shù)主要決定于電子位移極化。部分離子的電子極化率和離子折射度值的計(jì)算結(jié)果如表3所示。根據(jù)表3,正離子中B3+的極化能力最小,所以B2O3對(duì)降低玻璃的介電常數(shù)是非常有利的,與數(shù)據(jù)擬合后得到的關(guān)系式(2)相符。但B2O3的過(guò)量引入會(huì)造成其在玻璃熔制過(guò)程中的大量揮發(fā),并易使玻璃分相,故本實(shí)驗(yàn)控制在20%。表中Si4+與Al3+離子相比,具有較低的電子極化率和離子折射度,以SiO2部分取代Al2O3時(shí)表現(xiàn)出介電常數(shù)逐漸降低。而RO離子電子極化率和離子折射度值均較高,它們的極化能力較強(qiáng),介電常數(shù)有所增加當(dāng)屬正常。所以,隨著CaO和MgO質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低,介電常數(shù)逐漸降低,與關(guān)系式(1)相符。另外,從表3可見(jiàn),O2-離子的極化能力遠(yuǎn)大于其他正離子,但O2-離子在不同的正離子配位圈內(nèi)會(huì)表現(xiàn)出不同的極化率。在Al2O3中O2-離子的極化能力率比在SiO2和B2O3中大得多,所以Al2O3被SiO2適量取代有利于降低玻璃的介電常數(shù)。因此,HL1-6玻璃的介電常數(shù)均小于5,并且介電常數(shù)逐漸降低,最小值達(dá)到4.4。

        表2 HL低介電玻璃纖維介電性能和成型溫度

        表3 部分離子的電子極化率和折射度值

        玻璃材料的介電損耗主要包括電導(dǎo)損耗、松弛損耗和結(jié)構(gòu)損耗。HL1-6組成中Li2O+Na2O+K2O摩爾分?jǐn)?shù)為0.15%~0.35%,即弱聯(lián)系的松弛離子很少,網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)相對(duì)比較完整。所以,電導(dǎo)損耗和松弛損耗作用比較弱,引入多種堿離子的目的也是為了利用多堿效應(yīng)降低這類(lèi)損耗的影響。另外,玻璃的介電損耗隨頻率而變化,但在1MHz頻率下,主要表現(xiàn)為結(jié)構(gòu)損耗。以SiO2置換Al2O3,導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)形成體數(shù)量增加,結(jié)構(gòu)緊密程度也會(huì)增加,所以介電損耗會(huì)有所下降。而CaO和MgO反而使網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)結(jié)合牢固程度下降,表現(xiàn)出介電損耗略有增加。HL1-6組成中,CaO質(zhì)量分?jǐn)?shù)逐漸增加,而MgO質(zhì)量分?jǐn)?shù)逐漸降低,在SiO2、CaO和MgO的綜合影響下,介電損耗逐漸降低。

        2.2 HL低介電玻璃纖維的工藝性能

        為了降低玻璃的介電常數(shù)與介電損耗,通常會(huì)在組成中加入較高質(zhì)量分?jǐn)?shù)的SiO2、B2O3和Al2O3。因?yàn)檫@類(lèi)氧化物屬于玻璃網(wǎng)絡(luò)的形成體和中間體,具有較高的結(jié)合能,在外電場(chǎng)作用下不易產(chǎn)生極化,所以表現(xiàn)出較低的介電常數(shù)和介電損耗,同時(shí)還能夠抑制玻璃析晶。而堿金屬離子與網(wǎng)絡(luò)聯(lián)系較弱,在外電場(chǎng)作用下容易遷移和極化,不僅會(huì)增加玻璃的介電常數(shù),還會(huì)降低它的電絕緣性,增加介電損耗。因此,在低介電常數(shù)玻璃纖維中會(huì)控制引入。這一特點(diǎn),決定了這類(lèi)玻璃會(huì)有比較高的熔制溫度和拉絲作業(yè)溫度。

        通常,玻璃纖維的成形粘度在η=1 000 Pa·s左右,一般將玻璃液在這一粘度時(shí)的溫度稱(chēng)為成形溫度(TF)。在池窯拉絲生產(chǎn)中,TF決定了拉絲通路和漏板的工作溫度。成形溫度(TF)的測(cè)試結(jié)果如表2所示,最高為1 324 ℃,最低為1 265 ℃。成形溫度(TF)低于1 330 ℃,成形漏板可以采用普通的鉑銠合金及鋯密散鉑銠合金;析晶上限溫度(TL)低于1 260 ℃,熔制溫度低于1 600 ℃,成型窗口溫度(ΔT)大于50℃,可以實(shí)現(xiàn)池窯的規(guī)?;a(chǎn)。

        通過(guò)進(jìn)一步的組成優(yōu)化及關(guān)鍵設(shè)備的開(kāi)發(fā),CPIC成功實(shí)現(xiàn)了牌號(hào)為HL低介電玻璃纖維的規(guī)?;a(chǎn),其綜合性能和國(guó)外的低介電玻璃纖維相當(dāng)(表4)。從表4中可以看出,HL玻璃纖維的介電常數(shù)比E玻璃纖維降低了34.53%左右,介電損耗降低了83.33%左右,介電性能大大優(yōu)于E玻璃纖維,而耐水性和E玻璃纖維相當(dāng)。同時(shí)其密度比E玻璃纖維降低了12%左右,熱膨脹系數(shù)降低了42.24%左右,非常有利于PCB基板的輕量化和尺寸穩(wěn)定性。

        表4 國(guó)內(nèi)外主要的低介電玻璃纖維牌號(hào)與性能 [15]

        3 低介電玻璃纖維的應(yīng)用

        最近幾年面市的新型低介電常數(shù)玻璃纖維具有介電常數(shù)低、介電損耗低兩大特性,同時(shí)與傳統(tǒng)D玻璃纖維相比,其制品具有加工性能好的優(yōu)點(diǎn)。其電氣特性決定了它主要應(yīng)用于電磁透波領(lǐng)域和高頻電子電路領(lǐng)域。

        在高頻電子電路領(lǐng)域,低介電玻璃纖維的具體應(yīng)用部件是電路板,可以應(yīng)用在數(shù)字電視、移動(dòng)電話、全球定位系統(tǒng)、移動(dòng)通信基站、藍(lán)牙通信、車(chē)輛信息與通訊系統(tǒng)、電子不停車(chē)收費(fèi)系統(tǒng)(ETC)、無(wú)線電變頻通信系統(tǒng)、高速數(shù)據(jù)中心、云計(jì)算中心、光通信、高端路由器和服務(wù)器中。重慶方正高密電子有限公司采用低介電玻璃纖維HL成功開(kāi)發(fā)了系列適合在高頻領(lǐng)域應(yīng)用的電路板(圖4)。

        圖4 HL低介電玻璃纖維在電路板中的應(yīng)用實(shí)例

        在電磁透波領(lǐng)域中,低介電玻璃纖維主要用于電磁窗。電磁窗是電磁波進(jìn)出的窗口,作為一種結(jié)構(gòu),它是用來(lái)保護(hù)雷達(dá)天線或整個(gè)微波系統(tǒng)(包括雷達(dá)和通訊系統(tǒng))不受環(huán)境影響而損壞。保護(hù)雷達(dá)用的雷達(dá)罩及供彩電中心、微波塔樓、微波中繼站、通信天線及微波設(shè)備電磁窗口用的透波墻,天線饋源和相位校正透鏡用的罩都采用了透波材料。具體而言,在電磁透波領(lǐng)域,低介電常數(shù)玻璃纖維可廣泛應(yīng)用于以下方面:火箭、導(dǎo)彈的電磁通訊窗口;雷達(dá)罩(包括飛行器、艦船、地面及車(chē)載雷達(dá));軍用天線(如指揮車(chē)、裝甲車(chē))護(hù)套;基站天線罩;移動(dòng)基站美化罩(偽裝罩);醫(yī)療設(shè)備的電磁通訊窗口;彩電中心透波墻;微波塔樓透波墻;微波中繼站透波墻;天文觀測(cè)站。

        4 總結(jié)

        通過(guò)上述分析,得出以下結(jié)論:

        (1)通過(guò)數(shù)據(jù)回歸分析發(fā)現(xiàn),低介電玻璃纖維組成SiO2-Al2O3-B2O3-RO體系中,介電常數(shù)主要與堿土金屬(RO)和B2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)有關(guān),介電常數(shù)與金屬(RO)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)成正相關(guān)關(guān)系,與B2O3的質(zhì)量分?jǐn)?shù)成負(fù)相關(guān)關(guān)系。

        (2)開(kāi)發(fā)了一種新型低介電玻璃纖維HL,具有低的介電常數(shù)(4.4~4.7)和介電損耗(<0.001),耐水性和E玻璃纖維相當(dāng)。

        (3)開(kāi)發(fā)的新型低介電玻璃纖維HL可以用于高頻電路板和透波材料,是高端通訊、通信基站、軍用天線、雷達(dá)、透波墻等的重要材料,具有廣闊的應(yīng)用前景。

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