郭曉光，賈倩倩，張立欣，金霞，李強

(中國電子科技集團公司第四十六研究所,天津 300220)

隨著電子信息技術(shù)的發(fā)展,各類電子設(shè)備的通信頻率向高頻、高速化方向邁進,傳統(tǒng)的電路板材料將不再滿足高頻高速信號傳輸?shù)男枨?。聚四氟乙?PTFE)介質(zhì)基板材料由于其電氣性能優(yōu)異,耐腐蝕、耐熱,且介電常數(shù)和介電損耗具有寬頻穩(wěn)定性,非常適合用作高速數(shù)字化和高頻電路板材料[1-3]。但是PTFE可加工性較差,力學(xué)性能較差,熱膨脹系數(shù)大[4-5],需要在其中加入玻璃纖維(GF)增強材料來提高尺寸的穩(wěn)定性,并加入陶瓷粉來調(diào)節(jié)其介電性能[6-8]。PTFE 介質(zhì)基板的介質(zhì)層是由PTFE、陶瓷粉和短GF 組成的厚度均勻一致的片材,采用真空層壓機進行雙面覆銅燒結(jié),最終得到微波復(fù)合介質(zhì)基板材料[9]。用于高頻電路的PTFE介質(zhì)基板,必須要求厚度均勻,公差小[10]。

真空層壓機是用于生產(chǎn)制造微波復(fù)合介質(zhì)基板的重要設(shè)備[11-13]。在真空層壓過程中,可以除去空氣和揮發(fā)物,通過液壓的圓柱體加壓到壓力平板上,平板采用蒸汽、熱煤油或電熱元件來加熱。在一定溫度下,通過機械壓合作用,使介質(zhì)層和銅箔粘合在一起。

PTFE 介質(zhì)基板的真空層壓是利用PTFE 的熱塑性,高溫下熔融流動,與陶瓷粉成為連續(xù)基體,并與兩面的銅箔形成粘接,制備成覆銅板?；宓暮穸染鶆蛐灾苯尤Q于層壓機的溫度和壓力均勻性。溫度均勻性可以通過熱電偶檢測的方式來解決,而壓力均勻性則與熱板加工平整性、高溫下鋼板和承載盤的平行度等因素息息相關(guān),除此之外還與層壓時使用的緩沖墊的種類和厚度有關(guān)[14]。目前,針對短GF和陶瓷粉增強PTFE介質(zhì)基板,只有層壓溫度和壓力的工藝參數(shù)討論,尚未有層壓緩沖墊的種類和厚度方面的研究。

筆者分別討論了GF和陶瓷纖維兩種不同厚度的緩沖墊對PTFE介質(zhì)基板厚度和介電均勻性的影響,分析了其影響機理,得到最優(yōu)的緩沖墊類型和厚度規(guī)格。

1 實驗部分

1.1 主要原材料

短GF和陶瓷粉增強PTFE生基片：自制[15]；

緩沖墊：GF和陶瓷纖維,厚度為1,2,4 mm和6 mm,深圳瑞昌星科技有限公司；

鋼板：SUS420,浙江森宇實業(yè)有限公司；

料溫線：GG-K-30-SLE型,美國omega公司；

鉛條：3 mm,山東澤林金屬制品有限公司；

感壓紙：LLW,日本富士株式會社。

1.2 主要儀器及設(shè)備

精密千分尺：293-240-30型,日本三豐公司；

網(wǎng)絡(luò)分析儀及帶狀線測試夾具：E8358A 型,美國Agilent公司；

真空層壓機：VLP-260 型,中國臺灣活全機器股份有限公司。

1.3 試樣制備

以短GF 和陶瓷粉增強的PTFE 生基片為原材料。首先將鋼板、銅箔、生基片、緩沖墊擺放整齊,檢查設(shè)備狀態(tài)；其次按照規(guī)定次序進行多層疊層；然后用夾好無塵布的砂紙夾輕輕地擦拭將內(nèi)部多余空氣趕出；再將鋼板覆蓋在疊好的基片之上,最后蓋上蓋板,使用回流線將疊好的板材整體傳輸?shù)窖b載區(qū),推到高溫層壓機內(nèi)部,進行高溫?zé)釅?得到微波復(fù)合介質(zhì)基板,疊層結(jié)構(gòu)如圖1 所示。實驗結(jié)構(gòu)設(shè)計列于表1。

圖1 PTFE介質(zhì)基板疊層結(jié)構(gòu)示意圖

表1 PTFE介質(zhì)基板層壓實驗設(shè)計表

1.4 性能測試與表征

介質(zhì)基板的厚度：采用精密千分尺測試,測試18英寸×24英寸面積范圍內(nèi)96個點位的厚度,以厚度的算術(shù)平均數(shù)為厚度均值,以最大值和最小值的差為厚度極差。

介質(zhì)基板的介電性能：采用網(wǎng)絡(luò)分析儀配合帶狀線測試夾具對樣品在X波段(8～12 GHz)范圍進行測試。測試18 英寸×24 英寸面積范圍內(nèi)24 個點位的介電常數(shù),以介電常數(shù)的算術(shù)平均數(shù)為介電常數(shù)均值,以最大值和最小值的差為介電常數(shù)極差。

層壓機的溫度均勻性：采用料溫線來測試,在18 英寸×24 英寸面積范圍內(nèi),測試24 個點位的溫度,以溫度的算術(shù)平均數(shù)為溫度均值,以最大值和最小值的差為溫度極差。

層壓機的壓力均勻性：采用兩種方式表征。第一種是3 mm的鉛條測試,將鉛條放置于熱盤之間,施加層壓壓力,在18英寸×24英寸面積范圍內(nèi),測試24個點位的壓后鉛條的厚度,以厚度的均值表示熱盤壓力的數(shù)值,極差表示熱盤的平整性；第二是感壓紙顯色,將生基片和感壓紙同時放置于層壓熱板之間,在特定壓力下進行壓合一段時間,以感壓紙的顯色均勻程度來判斷有效面積范圍內(nèi)的壓力均勻性。

2 結(jié)果與討論

2.1 緩沖墊的種類和厚度對PTFE 介質(zhì)基板厚度的影響

實驗選用PTFE 生基片的厚度均值為0.635 mm,極差≤0.050 mm,均勻性良好。在一定的熱壓溫度和壓力下,由于PTFE 熔融后發(fā)生一定程度的厚度收縮,層壓制成的PTFE 介質(zhì)基板目標(biāo)厚度均值為0.508 mm,極差越小越好。由于緩沖墊種類和厚度不同,對壓力的緩沖效果將各不相同,因此基板的厚度均值和極差也有所不同。

圖2 為不同緩沖墊種類和厚度對PTFE 介質(zhì)基板厚度的影響。從圖2a厚度均值變化趨勢看出,陶瓷纖維緩沖墊制備介質(zhì)基板的厚度均值較大,兩種緩沖墊制備基板的厚度均值均隨著緩沖墊厚度的增加而增大,當(dāng)使用4 mm陶瓷纖維緩沖墊和6 mm GF 緩沖墊時,基板的厚度均值與目標(biāo)厚度0.508 mm 最為接近。從圖2b 厚度極差變化趨勢看出,陶瓷纖維墊制備基板的厚度極差隨緩沖墊厚度的增加先下降再上升,而GF 墊制備的基板厚度極差則是逐漸下降的趨勢?；宓暮穸葮O差代表了厚度均勻性,極差越小越好,因此,陶瓷纖維墊的最佳厚度為4 mm,而6 mm GF 墊的極差值依然大于陶瓷纖維墊。

圖2 不同緩沖墊種類和厚度對PTFE介質(zhì)基板厚度的影響

2.2 緩沖墊的種類和厚度對PTFE 介質(zhì)基板介電性能的影響

PTFE 介質(zhì)基板的覆銅熱壓過程中,PTFE 樹脂發(fā)生熔融,在壓力下致密化,有機無機界面結(jié)合力增強,形成致密的整體,表現(xiàn)出優(yōu)異的介電性能[16-17]。當(dāng)緩沖墊的種類和厚度發(fā)生變化,將影響施加在PTFE 生基片上的壓力均勻性,這種微小的變化引起微觀結(jié)構(gòu)中的界面結(jié)合問題,表現(xiàn)在宏觀性能上就是各處的介電常數(shù)不同。

圖3 為緩沖墊種類和厚度對PTFE 介質(zhì)基板介電常數(shù)的影響。從圖3a 介電常數(shù)均值變化趨勢看出,陶瓷纖維緩沖墊制備介質(zhì)基板的介電常數(shù)均值都小于GF 緩沖墊樣品,兩種緩沖墊制備基板的介電常數(shù)均值均隨著緩沖墊厚度的增加而下降,當(dāng)使用4 mm 陶瓷纖維緩沖墊和6 mm GF 緩沖墊時,基板的介電常數(shù)均值與目標(biāo)介電常數(shù)2.94最為接近。從圖3b厚度極差變化趨勢看出,陶瓷纖維墊制備基板的介電常數(shù)極差隨緩沖墊厚度的增加先下降再上升,而GF 墊制備的基板介電常數(shù)極差則呈逐漸下降的趨勢?；宓慕殡姵?shù)極差代表了介電常數(shù)的均勻性,極差越小越好,因此,陶瓷纖維墊的最佳厚度為4 mm,而不同厚度GF 墊制備樣品的極差值始終大于陶瓷纖維墊制備的樣品。

圖3 緩沖墊種類和厚度對PTFE介質(zhì)基板介電常數(shù)的影響

2.3 影響機理分析

高溫真空層壓使用的緩沖墊是為了補償層壓機中的不平行、弓曲、翹曲、壓力不均勻和厚度不平整而設(shè)置的[14],高溫應(yīng)用的緩沖墊材質(zhì)一般選用耐熱的陶瓷或者GF,呈現(xiàn)疏松多孔的結(jié)構(gòu)特點,同時陶瓷纖維或GF單絲硬度高,抗壓強度高,不含高分子膠,適合PTFE 介質(zhì)基板的高溫高壓工藝。由于無機纖維的導(dǎo)熱性能低于金屬材料,緩沖墊的加入會導(dǎo)致介質(zhì)層受到的溫度較為滯后,需要一定時間料溫才能達到設(shè)定溫度。筆者從溫度和壓力均勻性兩方面分析不同種類和厚度的緩沖墊對PTFE介質(zhì)基板的影響機理。

(1)溫度均勻性。

在層壓的壓力下,將壓機溫度升溫至380℃保溫1 h,測試24個點位的溫度,研究緩沖墊的種類和厚度對各個點位溫度均值和極差的影響,結(jié)果如圖4 所示。溫度均值越接近380℃,溫度極差越小,說明緩沖墊的導(dǎo)熱效果越好。由圖4a看出,隨著緩沖墊厚度的增加,溫度均值逐漸下降,說明緩沖墊厚度越厚,導(dǎo)熱效果越差,導(dǎo)致溫度越偏離設(shè)定溫度380℃。而 2 mm 和 4 mm 的陶瓷纖維墊和 2 mm 的GF 緩沖墊得到的溫度均值與380℃最為接近。由圖4b看出,溫度極差隨著兩類緩沖墊厚度的增加而升高,這也是與緩沖墊的隔熱效應(yīng)有關(guān),因此不能選擇過厚的緩沖墊。

圖4 緩沖墊種類和厚度對層壓機料溫的影響

(2)壓力均勻性。

第一方面,采用壓后鉛條的厚度表征。

在室溫下,將壓機壓力升高至PTFE 介質(zhì)基板的層壓壓力10 MPa,保壓1 h,測試24個點位壓后鉛條的厚度,研究緩沖墊的種類和厚度對鉛條厚度極差的影響,測試結(jié)果如圖5 所示。鉛條原始厚度為3.0 mm,當(dāng)受壓時,厚度下降至1.5 mm 左右。由圖5a看出,鉛條的厚度均值隨緩沖墊厚度的增加而升高,說明緩沖墊起到了有效的壓力緩沖作用,壓機的壓力一定程度上被減弱,鉛條厚度有所增加,其中陶瓷纖維墊的厚度均值較高,說明其受壓變形程度比GF 墊要弱一些。而由圖5b 看出,隨著厚度的增加,兩種緩沖墊條件下鉛條厚度極差先下降后升高,極差越小越好,這說明一定厚度的緩沖墊可以彌補機械工裝造成的壓力的不均勻性,但是過厚的緩沖墊反而是不利于壓力均勻性。同時可看出,陶瓷纖維緩沖墊條件下,壓后鉛條的厚度極差小于GF,因此從壓力均勻性方面,優(yōu)選4 mm的陶瓷纖維緩沖墊。這也是該規(guī)格緩沖墊制備的PTFE介質(zhì)基板厚度和介電常數(shù)均勻性優(yōu)于其它條件的根本原因。

圖5 緩沖墊種類和厚度對層壓機壓力的影響

第二方面,采用感壓紙顯色的方式表征。

當(dāng)感壓紙與PTFE 生基片共同放入層壓機,在室溫下,升高至層壓壓力10 MPa時,保壓后取出,感壓紙的顯色均勻性可代表PTFE生基片的受壓均勻性情況。此方法有利于表示層壓機有效面積范圍內(nèi)壓力的分布趨勢,從而給層壓實驗帶來一定的指導(dǎo)。筆者選擇了溫度均值最符合要求的2 mm 和4 mm的陶瓷纖維墊和2 mm的GF緩沖墊進行感壓紙實驗,如圖6所示。從圖6看出,三種緩沖墊的顯色均勻性各不相同,其中4 mm 陶瓷纖維墊的感壓紙顯色效果非常均勻,有效面積內(nèi)都能平均染色,代表壓力均勻一致；而另外兩種緩沖墊中心顯色狀態(tài)良好,表示壓力均勻,滿足要求,而邊緣的壓力過低,無法滿足介質(zhì)基片壓合所需的壓力,這說明層壓機的壓力施加在PTFE 介質(zhì)基板上也是不均勻的,因此會造成厚度和介電常數(shù)均勻性的惡化。綜上,優(yōu)選4 mm陶瓷纖維緩沖墊作為PTFE介質(zhì)基板使用的緩沖墊。

圖6 不同規(guī)格緩沖墊的感壓紙實驗

綜合以上實驗,不同緩沖墊條件對介質(zhì)基板厚度和介電均勻性的影響是由于陶瓷纖維的硬度高于GF,其制備的緩沖墊對壓力的緩沖和溫度的傳導(dǎo)效果最好。當(dāng)緩沖墊厚度過薄時,起不到緩沖的效果,厚度過厚時,將會導(dǎo)致溫度和壓力的均勻性變差。最終,得到最優(yōu)的緩沖墊規(guī)格為4 mm 厚度的陶瓷纖維緩沖墊。該條件下,料溫均值為379℃,極差4.91℃,基板厚度均值為0.51 mm,極差0.035 mm,介電常數(shù)為2.942 6,介電常數(shù)極差0.025,保證微波介質(zhì)基板的性能符合要求。

3 結(jié)論

研究了不同厚度和種類的緩沖墊對PTFE介質(zhì)基板厚度和介電均勻性的影響。結(jié)果表明,陶瓷纖維制備的緩沖墊對壓力的緩沖和溫度的傳導(dǎo)效果優(yōu)于GF 制備的緩沖墊。在厚度方面,當(dāng)緩沖墊厚度過薄時,起不到緩沖的效果,厚度過厚時,將會導(dǎo)致溫度和壓力的均勻性變差。使用厚度為4 mm的陶瓷纖維緩沖墊時,料溫均值為379℃,極差4.91℃,基板厚度均值為0.51 mm,極差0.035 mm,介電常數(shù)為2.942 6,介電常數(shù)極差0.025,保證微波介質(zhì)基板的性能符合要求。