武 聰，李 強，張立欣，賈倩倩

(中國電子科技集團(tuán)公司第四十六研究所， 天津 300220)

0 引言

高頻電路需要高信號傳輸速度，而信號傳輸速度與基板材料的介電常數(shù)的平方根成反比，高介電常數(shù)的介質(zhì)材料容易造成信號的傳輸延遲。因此要實現(xiàn)快速的信號傳輸，必須選擇介電常數(shù)低的基材。介電常數(shù)不僅影響著傳輸速度，也影響著電路的阻抗。阻抗必須和高速電路匹配，這意味著電路帶線的阻抗由電路其他元素的阻抗來確定。設(shè)計者可以使用標(biāo)準(zhǔn)方程來選擇帶線的寬度、介質(zhì)的厚度和達(dá)到所需阻抗的介電常數(shù)。然而諸如互連密度和微波多層板的圖形容量等因素通常決定著線寬。這意味著設(shè)計者要對介質(zhì)厚度和介電常數(shù)采取折中方案。更小的介電常數(shù)值，允許使用更薄的介質(zhì)厚度。較薄的微波多層板對設(shè)計者來說有幾個優(yōu)點。通常薄板孔金屬化的可靠性更好，對導(dǎo)線和插頭更適合。另外它減少了鄰近導(dǎo)體的跨接，由于薄層板的跨接更短，可以獲得更薄、更可靠的微波多層板，因此就更需要低介電常數(shù)的材料。

聚四氟乙烯非常適用于作為高頻基板材料的基體樹脂。隨著高速度、高密度、多功能型集成電路的發(fā)展，對超低介電常數(shù)(ε<2.2)基板的需求越來越大，深入研究并開發(fā)更低介電常數(shù)的新材料是必然的趨勢[1]。通常無機陶瓷粉體的介電常數(shù)值在4以上，結(jié)合PTFE樹脂的介電常數(shù)大致為2.2，因此由二者復(fù)合形成的介質(zhì)層的有效介電常數(shù)難以達(dá)到2以下，一定程度限制了高端電路的設(shè)計。降低材料介電常數(shù)的辦法一般有2種：一種是采用分子結(jié)構(gòu)對稱性好的材料作為原料，另一種是引入氣孔來降低材料的介電常數(shù)[2]。由于空氣孔隙具有較低的介電常數(shù)[3]，因此降低材料介電常數(shù)最有效的方法是在材料中引入空氣，目前報道的無機填料主要有多孔氧化硅[4]、納米氧化硅空心微珠[5]、空心球陶瓷粉(Al6Si2O13)[6]等制備的薄膜或者復(fù)合介質(zhì)基板。然而，納米空心微球不適用于PTFE樹脂基微波復(fù)合介質(zhì)基板的制備，目前還未見有對陶瓷空心球性能(尤其是鋁硅原子比和球殼厚度等)對超低介微波復(fù)合介質(zhì)基板性能的影響的報道。

本文選用鋁硅氧化陶瓷空心球為無機填料，制備超低介PTFE微波復(fù)合介質(zhì)基板，研究了空心陶瓷粉中鋁硅原子比、球殼厚度、空心球粒徑等對基板介電性能的影響。

1 實驗

1.1 實驗原料

采用的PTFE干粉為美國杜邦公司生產(chǎn)，型號為7CX。硅烷偶聯(lián)劑為KH560硅烷偶聯(lián)劑，加入比例為粉體重量的0.8%，成型潤滑劑為石油醚，上述試劑均由上海阿拉丁試劑公司采購。基板用銅箔為電子級，厚度35 μm，毛面粗糙度Rz為(1.5±0.5)μm，由蘇州福田公司生產(chǎn)和銷售。

鋁硅氧化陶瓷空心球粉體由山東某公司提供，平均粒徑在50～80 μm。陶瓷空心球和SiO2空心球，鋁硅原子比分別為3∶1、2∶1、1∶1、1∶2和 0∶1，樣品編號及介電常數(shù)見表1[7]。

表1 陶瓷空心球參數(shù)

1.2 實驗過程

將一定量的經(jīng)表面改性處理的鋁硅氧化陶瓷空心球(球殼厚度2.5 μm)、PTFE干粉按照表2進(jìn)行配比后，加入成型潤滑劑，采用錐形混料機進(jìn)行機械混合，混合轉(zhuǎn)速1 000 r/min，混合時間1 h?；旌暇鶆虻膹?fù)合物料進(jìn)行糊狀擠出成型，得到一定厚度的生料帶，將生料帶在三軸壓延機上進(jìn)行壓延成型，經(jīng)過3～5次反復(fù)壓延后得到厚度0.26 mm的生基片，將生基片在低溫烘箱中進(jìn)行烘干，烘干條件為190 ℃，烘干24 h，烘干后的生基片4張疊層，進(jìn)行雙面覆銅層壓，在370 ℃，4 MPa下層壓，保溫保壓4 h，得到鋁硅氧化陶瓷空心球填充的PTFE微波復(fù)合介質(zhì)基板樣品。

表2 空心球填充PTFE樹脂復(fù)合介質(zhì)基板配比表

1.3 測試與表征

采用美國Agilent公司網(wǎng)絡(luò)分析儀配合帶狀線測試夾具對樣品在8～12 GHz的相對介電常數(shù)和介電損耗進(jìn)行測試。

采用美國TA公司Q400TMA熱分析儀測試樣品Z軸熱膨脹系數(shù)，測試溫度范圍為0～100 ℃。

吸水率測試使用低溫烘箱，測試溫度范圍為22～100 ℃。

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 空心球填充PTFE復(fù)合材料介電常數(shù)的計算

復(fù)合材料由陶瓷空心球為分散介質(zhì)，PTFE樹脂為連續(xù)相構(gòu)成?？偨Y(jié)前期文獻(xiàn)可知，這種結(jié)構(gòu)采用Maxwell-Garnett公式，具有擬合精度高的特點，該模擬方法特別適用于球形分散介質(zhì)體積比大于20%的復(fù)合結(jié)構(gòu)。因此，對于本文中復(fù)合介質(zhì)材料的介電常數(shù)采用該方法進(jìn)行擬合，其中PTFE樹脂的介電常數(shù)的值取2.2，Maxwell-Garnett公式表示為：

(1)

其中：εeff為復(fù)合材料的有效介電常數(shù)；ε1和ε2為球形填料和樹脂的介電常數(shù)；vl球形填料的體積占比。

分別模擬直徑為40、50、60、70和80 μm時，球殼厚度為2.5和5 μm的陶瓷空心球的體積占比對空心球和PTFE復(fù)合介質(zhì)材料介電常數(shù)的影響，模擬結(jié)果如圖1所示。

圖1 不同直徑空心球的體積占比對復(fù)合介質(zhì)材料介電常數(shù)的影響

從模擬結(jié)果圖1(a)～(e)來看，當(dāng)球殼厚度為5 μm時，所有粒徑的空心球介電常數(shù)均大于2。當(dāng)球殼厚度為2.5 μm時，空心球直徑為40 μm時，如圖1(a)所示，只有SiO2空心球體積占比達(dá)到38%，介電常數(shù)可達(dá)到2。空心球直徑為50 μm時，如圖1(b)所示，KXQ-1和KXQ-2的介電常數(shù)大于2，KXQ-3、KXQ-4和SiO2空心球分別在體積占比達(dá)到56%、54%和30%時介電常數(shù)可達(dá)到2。空心球直徑為60μm時，如圖1(c)所示，5種陶瓷空心球組成的復(fù)合介質(zhì)材料介電常數(shù)均可達(dá)到2，此時各空心球的體積占比分別為64%、57%、40%、38%和26%?？招那蛑睆綖?0 μm時，如圖1(d)所示，復(fù)合介質(zhì)材料的介電常數(shù)為2時，5種空心球的體積占比分別為45%、41%、33%、32%和23%?？招那蛑睆綖?0 μm時，如圖1(e)所示，復(fù)合介質(zhì)材料的介電常數(shù)為2時，5種空心球的體積占比分別為36%、35%、29%、28%和21%。

2.2 陶瓷空心球填充PTFE基復(fù)合介質(zhì)基板性能分析

2.2.1介電性能

基于陶瓷空心球填充PTFE基復(fù)合介質(zhì)基板介電常數(shù)設(shè)計結(jié)果，4種含鋁空心球選用球殼厚度2.5 μm，空心球直徑50、60、70和80 μm，按照表2配比進(jìn)行基板的制備。對制備后的基板進(jìn)行介電常數(shù)和介質(zhì)損耗的測試，從測試結(jié)果看，空心球直徑越大有利于對復(fù)合介質(zhì)基板的介電常數(shù)進(jìn)行有效調(diào)控，但是當(dāng)空心球填充量低于30%時，PTFE樹脂含量的增加使得復(fù)合介質(zhì)基板的介質(zhì)損耗增高。當(dāng)空心球填充量超過40%時，復(fù)合介質(zhì)基板的介電常數(shù)跟模擬結(jié)果相差較大，這是因為在進(jìn)行成型和層壓時，空心球之間相互擠壓而破裂，空氣所占比例下降，導(dǎo)致介電常數(shù)升高。復(fù)合介質(zhì)基板的介電性能曲線見圖2。

從復(fù)合介質(zhì)基板的介質(zhì)損耗分布規(guī)律可以看出，當(dāng)空心球鋁硅原子比為1∶1和1∶2時，采用此類空心球制備的復(fù)合介質(zhì)基板樣品的介質(zhì)損耗明顯高于鋁硅原子比為2∶1和3∶1的基板。這是因為在高頻條件下，陶瓷相組成對復(fù)合材料的介質(zhì)損耗影響很大，氧化鋁是結(jié)構(gòu)緊密的晶相，同時鋁原子的存在會防止多晶轉(zhuǎn)變和消除電子電導(dǎo)損耗和電子松弛極化損耗等[8]，因此鋁原子比例越高，陶瓷相的損耗越小。當(dāng)空心球鋁硅比高于1∶1時，有利于降低復(fù)合材料的介質(zhì)損耗。

圖2 復(fù)合介質(zhì)基板的介電性能曲線

2.2.2熱膨脹系數(shù)

復(fù)合材料的熱膨脹系數(shù)可按復(fù)合規(guī)則公式(2)進(jìn)行估算：

α=αmVm+αPVP

(2)

其中：α為復(fù)合材料的熱膨脹系數(shù)；αm、αP和Vm、VP分別為無機填料、PTFE樹脂的熱膨脹系數(shù)和體積分?jǐn)?shù)(假定Vm+VP=1)。

由于PTFE基體的熱膨脹系數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于空心球無機填料，復(fù)合材料在升溫的過程中，會導(dǎo)致兩者熱膨脹失配，其中PTFE基體受到壓應(yīng)力，而顆粒受到拉應(yīng)力；冷卻時正好相反，并且由于PTFE的高熱膨脹系數(shù)，界面應(yīng)力的影響比無機填料更大。這種熱膨脹的失配現(xiàn)象在PTFE這樣的高熱膨脹基體與陶瓷填料的復(fù)合材料中顯得尤為明顯。約束PTFE基體膨脹的只有顆粒，而這種約束主要依靠界面區(qū)來傳遞[6]。當(dāng)填料粒徑越小，填充體積越大，填料對PTFE基體熱運動的約束越強，復(fù)合介質(zhì)基板的熱膨脹系數(shù)就越小，通過對制備Z軸熱膨脹系數(shù)進(jìn)行測試分析，當(dāng)填料量在35%以上時，復(fù)合介質(zhì)基板的Z軸熱膨脹系數(shù)可以達(dá)到高頻使用要求(≤ 40×10-6/℃)。復(fù)合介質(zhì)基板的Z軸熱膨脹系數(shù)曲線見圖3。

2.2.3吸水率

將制備的復(fù)合介質(zhì)基板進(jìn)行吸水率測試，從測試結(jié)果可以看出，隨著空心球含量的增加，吸水率增加，同時，空心球直徑越小復(fù)合介質(zhì)基板的吸水率也越大，這是由于空心球與PTFE樹脂之間的微觀界面增大，復(fù)合介質(zhì)基板的吸水率與復(fù)合材料間的界面效應(yīng)有關(guān)，同時無機填料的氣孔率是最主要的影響因素[9]，界面比例和氣孔率的提高直接導(dǎo)致復(fù)合材料的吸水率增大，因此想要復(fù)合介質(zhì)基板的吸水率達(dá)到要求值(≤ 0.03%)，空心球的填加比例不能過大，當(dāng)空心球比例為35%時，WB-12復(fù)合介質(zhì)基板樣品的吸水率可以達(dá)到較理想的狀態(tài)。復(fù)合介質(zhì)基板的吸水率曲線見圖4。

圖3 復(fù)合介質(zhì)基板的Z軸熱膨脹系數(shù)曲線

圖4 復(fù)合介質(zhì)基板的吸水率曲線

綜合介電性能的分析結(jié)果，采用直徑80 μm、球殼厚度2.5 μm的鋁硅原子比為2∶1的空心球，無機填料含量在35%時，制備的復(fù)合介質(zhì)基板的介電常數(shù)為2.0，介質(zhì)損耗為0.002 7，Z軸熱膨脹系數(shù)為38.8×10-6/℃，吸水率為0.025%，基板的綜合性能較佳，此時基板的性能可以滿足高頻超低介復(fù)合介質(zhì)基板的使用要求。

3 結(jié)論

通過模擬發(fā)現(xiàn)球殼厚度越大，介電常數(shù)越大。當(dāng)球殼厚為10 μm、含有氧化鋁時不能形成介電常數(shù)為2的復(fù)合介質(zhì)材料；球直徑越大，球殼厚度越小，有利于介電常數(shù)的降低。基于模擬結(jié)果，進(jìn)行了空心球填充PTFE樹脂的復(fù)合介質(zhì)基板的制備，通過對基板介電性能、吸水率和熱膨脹系數(shù)的分析，當(dāng)空心球直徑為80 μm、球殼厚度2.5 μm、鋁硅原子比為2∶1時，填加35%的空心球，制備的基板性能最佳，介電常數(shù)為2.0，介質(zhì)損耗為 0.002 7，Z軸熱膨脹系數(shù)為38.8×10-6/℃，吸水率為0.025%，是性能優(yōu)良的超低介PTFE基復(fù)合介質(zhì)基板材料。