應(yīng)用于天線的高介電常數(shù)聚合物基覆銅板

Paper Code: A-041

顏善銀 蘇民社 殷衛(wèi)峰

廣東生益科技股份有限公司

應(yīng)用于天線的高介電常數(shù)聚合物基覆銅板

Paper Code: A-041

顏善銀 蘇民社 殷衛(wèi)峰

廣東生益科技股份有限公司

近年來(lái)，由于無(wú)線通信的快速發(fā)展，使無(wú)線通信成為生活的必需。天線負(fù)責(zé)電路與空氣中電磁能量的轉(zhuǎn)換，為通信系統(tǒng)中不可或缺的基本設(shè)備。隨著電子產(chǎn)品輕、薄、短、小的發(fā)展趨勢(shì)，電子產(chǎn)品中元器件的設(shè)計(jì)也要朝此趨勢(shì)發(fā)展。當(dāng)前業(yè)界對(duì)于天線設(shè)計(jì)的重點(diǎn)在于小型化、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單化及多頻或?qū)拵?。采用陶瓷作為基板制作小型化天線已經(jīng)是眾所周知，然而，陶瓷的不足之處是它易碎，并且有較高的制作成本，因?yàn)樗仨毷褂脽Y(jié)的方法來(lái)制備。高介電常數(shù)聚合物基覆銅板由于具有易加工、低溫成型、低成本和優(yōu)異的機(jī)械性能，已經(jīng)引起了人們的廣泛關(guān)注。本文對(duì)高介電常數(shù)聚合物基覆銅板的設(shè)計(jì)與制作進(jìn)行了簡(jiǎn)要概述。

高介電常數(shù)；覆銅板；天線

1 前言

無(wú)線通信技術(shù)是通過(guò)電磁波的輻射來(lái)完成。電磁波的產(chǎn)生，基本上是電場(chǎng)與磁場(chǎng)的變化過(guò)程，將能量以波的方式在空間中傳遞，而天線的存在提供了電場(chǎng)變化的環(huán)境。無(wú)線通信設(shè)備的設(shè)計(jì)逐年變得復(fù)雜。無(wú)線通信設(shè)備為具有無(wú)線通信功能的電子設(shè)備，包括無(wú)線終端[例如移動(dòng)電話、智能手機(jī)、個(gè)人數(shù)字助理（PDA）、個(gè)人計(jì)算機(jī)（PC）和全球定位系統(tǒng)（GPS）終端]，并包括無(wú)線通信應(yīng)用裝置，例如無(wú)線通信卡（PCMCIA卡）。在無(wú)線通信設(shè)備內(nèi)部設(shè)有接收無(wú)線電波的天線。

隨著微小衛(wèi)星的迅猛發(fā)展和移動(dòng)通信產(chǎn)品市場(chǎng)需求的日益膨脹，只有那些體積小，攜帶方便，高靈敏度，高穩(wěn)定性的無(wú)線通信產(chǎn)品才能滿足需求。目前微電子、微機(jī)械等新興微加工技術(shù)的發(fā)展，使得不僅是數(shù)字、基帶電路模塊，甚至連射頻模塊也已成功地實(shí)現(xiàn)了微型化、芯片化的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)。與此同時(shí)，天線作為重要的射頻前端器件，其指標(biāo)要求也日益苛刻，小型化、內(nèi)置化、多頻段、智能化是移動(dòng)終端小天線的發(fā)展趨勢(shì)。目前，天線小型化的主要方法包括采用特殊介質(zhì)基片、加載短路探針、表面開(kāi)槽、附加有源網(wǎng)絡(luò)、采用特殊的微帶貼片形式等方案。其中，一種最常用的方法就是采用高介電常數(shù)的介質(zhì)基片來(lái)減小天線尺寸。目前高介電常數(shù)的介質(zhì)基片用得最多、最廣的主要有高介電陶瓷基板和高介電常數(shù)聚合物基覆銅板。下文簡(jiǎn)要介紹這兩種高介電常數(shù)的介質(zhì)基板在天線中的應(yīng)用，重點(diǎn)介紹高介電常數(shù)聚合物基覆銅板的設(shè)計(jì)與制作。

2 高介電陶瓷基板在天線中的應(yīng)用

由于陶瓷材料有較高的介電常數(shù)，在小型化天線中的應(yīng)用比較廣泛。孫曉瑋等[1]采用介電常數(shù)ε≥38的高均勻性陶瓷基片，制作成一種高介電常數(shù)圓極化小型超高頻天線；龔成等[2]采用高介電常數(shù)材料來(lái)制作天線基板，基板材料采用陶瓷類材料，其介電常數(shù)可達(dá)20，使天線體積大大減??；游佰強(qiáng)等[3]采用9層介電常數(shù)漸變的陶瓷基板材料，介電常數(shù)依次為12、13、14、15、16、15、14、13、12，制成了一種偶極子天線，尺寸小，帶寬大，輻射特性好；脈沖芬蘭有限公司的專利[4]采用介電常數(shù)為35的陶瓷介質(zhì)基板，制成了一種適合小尺寸無(wú)線電設(shè)備的電介質(zhì)天線，天線部件尺寸是7 mm × 1.6 mm × 1.6 mm；游佰強(qiáng)等[5]采用介電常數(shù)為20的陶瓷介質(zhì)基板，制成了一種用于衛(wèi)星定位系統(tǒng)的小型化圓形縫隙微帶貼片天線，介質(zhì)基板的長(zhǎng)度為36.0 mm ± 0.1 mm，寬度為36.0 mm ± 0.1 mm，厚度為2.0 mm ± 0.1 mm；日本富士通株式會(huì)社的專利[6]采用介電常數(shù)約為10的陶瓷材料制成了一種可以實(shí)現(xiàn)尺寸縮小的天線裝置。

3 高介電常數(shù)聚合物基覆銅板在天線中的應(yīng)用

雖然陶瓷材料具有較高的介電常數(shù)，但陶瓷材料存在易碎、加工困難、機(jī)械性能差等弊端，在制備陶瓷材料時(shí)需要高于500 ℃以上甚至1 100 ℃的溫度進(jìn)行燒結(jié)[7][8]，對(duì)設(shè)備和操作環(huán)境要求都很高。以高介電常數(shù)陶瓷填充聚合物得到的高介電常數(shù)聚合物基覆銅板，結(jié)合了陶瓷和聚合物各自的優(yōu)點(diǎn)，可以同時(shí)具有介電常數(shù)高、易加工等優(yōu)良性能，成型溫度不超過(guò)200 ℃，同時(shí)具有非常好的機(jī)械性能，已經(jīng)被應(yīng)用于小型化天線的制備中。

RYOU Byung Hoon等[9]采用含聚苯硫醚（PPS）的高介電常數(shù)聚合物基覆銅板，制作成了一種小型天線，介電材料的介電常數(shù)為20～25。卓威明等[10]采用一種高介電常數(shù)的基板材料制作成天線，基板材料為有機(jī)材料基板，借助高介電常數(shù)材料的使用，可以縮小天線面積，節(jié)省材料成本并減少組裝成本，高介電常數(shù)基板還可以縮小微波輻射波長(zhǎng)，達(dá)到天線小型化的目的。日本古河電氣工業(yè)株式會(huì)社的專利[11]采用高介電常數(shù)材料構(gòu)成的電介質(zhì)層挾持著低介電常數(shù)材料構(gòu)成的中央電介質(zhì)層，發(fā)明了一種小型天線。其中，使用PEI（聚醚酰亞胺）或LCP（液晶聚合物）等樹(shù)脂來(lái)作為中央的低介電常數(shù)材料，將混合了陶瓷的PPS樹(shù)脂用于外層的高介電常數(shù)材料，高介電常數(shù)材料的介電常數(shù)為18.2，天線的尺寸是28.5 mm × 7.5 mm× 3 mm。日本NTN株式會(huì)社的專利[12]采用在乙丙橡膠彈性體中配入高介電陶瓷粉末形成的高介電彈性體為天線主體，通過(guò)在其上粘接施加了鍍敷處理的銅箔作為電極，制成一種電介質(zhì)天線，由于介電常數(shù)高，可以達(dá)到天線的小型化。

4 高介電常數(shù)聚合物基覆銅板的設(shè)計(jì)與制作

高介電常數(shù)聚合物基覆銅板的設(shè)計(jì)主要從填料和聚合物兩個(gè)方面著手，在保證覆銅板綜合性能的前提下，要控制好介電常數(shù)和介電損耗這兩個(gè)最關(guān)鍵的性能指標(biāo)。尤其用于天線的高介電常數(shù)聚合物基覆銅板，首先考慮直接影響天線尺寸的基板介電常數(shù)，由于印制天線的尺寸與基板的相對(duì)介電常數(shù)成反比，所以要選用具有高介電常數(shù)的介質(zhì)基板來(lái)減小天線尺寸，但在確保低剖面結(jié)構(gòu)的情況下，過(guò)高的介電常數(shù)會(huì)激勵(lì)出較強(qiáng)的表面波，表面損耗較大，使增益減小，直接降低天線的輻射效率，所以需要權(quán)衡選擇基板的相對(duì)介電常數(shù)。

在高頻領(lǐng)域的電波，要求電子器件的能量損失或輸送損失小。輸送損失作為熱能量在電子器件中被消耗，成為電子器件發(fā)熱的原因。輸送損失通常用下式：

表示，所以為了降低輸送損失，需要使介電常數(shù)、介電損耗角正切變小。這也說(shuō)明了天線用覆銅板的介電常數(shù)并不是越高就越好，滿足天線小型化的要求即可，同時(shí)要保證覆銅板的介電損耗要小，降低輸送損失。

高分子聚合物當(dāng)中，除少數(shù)材料外，其介電常數(shù)通常較低。為了達(dá)到一定的介電常數(shù)，通常要在聚合物中添加功能填料，功能填料是決定聚合物基復(fù)合材料介電性能的關(guān)鍵組分。目前用作高介電聚合物基復(fù)合材料中的功能填料主要包括鐵電陶瓷、金屬導(dǎo)體、無(wú)機(jī)導(dǎo)體、有機(jī)半導(dǎo)體等[13]。在高介電常數(shù)聚合物基覆銅板中使用最多的填料還是電介質(zhì)陶瓷，一些電介質(zhì)陶瓷的介電常數(shù)和Q值（介電損耗角正切的倒數(shù)）見(jiàn)表1，表中介電常數(shù)和Q值是利用電介質(zhì)共振器法在千兆Hz帶測(cè)定的值。Q值越大則介電損耗就越小，所以在選擇使用電介質(zhì)陶瓷的時(shí)候，保證介電常數(shù)滿足使用要求的前提下，應(yīng)該優(yōu)選Q值大的電介質(zhì)陶瓷作為填料。從表1中可以看出，以TiO2、CaTiO3、SrTiO3、BaNd2Ti5O14、BaNd2Ti4O12、Bi2O-BaO-Nd2O3-TiO2系、PbO-BaO-Nd2O3-TiO2系、(Bi2O3-PbO)-BaO-Nd2O3-TiO2系、BaO-CaO-Nd2O3-TiO2、BaO-SrO-Nd2O3-TiO2為主要成份的電介質(zhì)陶瓷粉末，具有較高的介電常數(shù)，同時(shí)Q值也較高。BaTiO3雖然具有非常高的介電常數(shù)，但是Q值偏低，盡管如此，BaTiO3在制備高介電常數(shù)聚合物基覆銅板中還是用得比較多。

表1 一些電介質(zhì)陶瓷的介電常數(shù)和Q值

在降低聚合物基覆銅板的介電損耗上，除了盡量選擇Q值高的填料外，還可以從聚合物方面考慮，盡量選擇介電損耗比較低的聚合物。覆銅板中常用的低介電損耗的樹(shù)脂有聚苯醚（PPO）樹(shù)脂、雙馬來(lái)酰亞胺（BMI）樹(shù)脂、氰酸酯（CE）樹(shù)脂、活性酯類樹(shù)脂等。

聚苯醚（PPO）是一種綜合性能優(yōu)良的熱塑性樹(shù)脂，介電損耗約0.0007。劉軍[14]采用聚苯醚樹(shù)脂體系，同時(shí)采用金紅石型TiO2復(fù)合陶瓷粉材料作為介電常數(shù)調(diào)節(jié)劑，研制開(kāi)發(fā)出了介電常數(shù)為6.23（9.37 GHz），介質(zhì)損耗因數(shù)為0.0014（9.37 GHz）的覆銅板。

李小蘭[15]采用自制的溴化環(huán)氧樹(shù)脂、BMI型聚酰亞胺、氰酸酯樹(shù)脂三種有機(jī)樹(shù)脂（樹(shù)脂的介電性能見(jiàn)表2）、鈦酸鋇陶瓷粉（在1300 ℃的隧道爐中燒結(jié)兩個(gè)小時(shí)，相對(duì)介電常數(shù)在4000左右）及分散劑、溶劑等配成一定粘度的膠粘劑，用50 g/m2的玻璃纖維無(wú)紡布浸膠后，在一定的條件下烘干制作成粘結(jié)片，雙面用35 mm銅箔，在4.9 MPa（50 kg/cm2）的單位壓力下進(jìn)行熱壓成型，壓制溫度170 ℃ ～ 175 ℃，保溫2 h。采用三種樹(shù)脂制作的高介電常數(shù)覆銅板性能見(jiàn)表3。

表2 常見(jiàn)有機(jī)樹(shù)脂的介電性能

表3 高介電常數(shù)覆銅板檢測(cè)結(jié)果

日本TDK株式會(huì)社的專利[16]采用環(huán)氧樹(shù)脂、活性酯類化合物、多芳基化合物為主體樹(shù)脂，以BaNd2TiO4系電介質(zhì)陶瓷粉末和Ba2Ti9O20系電介質(zhì)陶瓷粉末為功能填料，加入阻燃劑、固化促進(jìn)劑、表面處理劑和有機(jī)溶劑，進(jìn)行攪拌直到完全溶解、分散，得到糊狀物，使用刮刀將糊狀物涂布在18 mm電解銅箔或50 mm的PET薄膜上，進(jìn)行50 ℃/10 min＋120 ℃/10 min的干燥處理，得到的樹(shù)脂組合物的厚度為50 mm。將12塊該樹(shù)脂組合物重疊，通過(guò)高溫真空壓機(jī)壓制成型，在以2 ℃/min的速度從30 ℃升溫到150 ℃后、保持60 min后、以3 ℃/min的速度升溫到190 ℃、保持60 min的溫度曲線，3 MPa的壓力、0.004 MPa（30 torr）以下的真空度的條件下進(jìn)行壓制。壓制后得到的樹(shù)脂組合物的固化物的厚度為500 mm。部分實(shí)施例覆銅板的介電性能見(jiàn)表4，可見(jiàn)所得覆銅板的介電常數(shù)較高，并且介電損耗非常低。

表4 部分實(shí)施例覆銅板的介電性能

5 結(jié)語(yǔ)

高介電常數(shù)聚合物基覆銅板所用樹(shù)脂和填料的種類及其繁多，制作方法也是多種多樣，有的使用玻纖布作為增強(qiáng)材料或者用其他類型的增強(qiáng)材料，有的沒(méi)有使用增強(qiáng)材料。高介電常數(shù)聚合物基覆銅板具有優(yōu)異的機(jī)械性能，并且易加工、低溫成型、低成本，有非常廣泛的應(yīng)用前景，尤其在天線方面的應(yīng)用，有望取代或者部分取代陶瓷基板。

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High dielectric constant polymer based copper clad laminate for antenna application

YAN Shan-yin SU Min-she YIN Wei-feng

Due to the rapid development of wireless communication technology in recent years, wireless communication has become an essential part of modern life. The antenna is used for electromagnetic energy conversion between the circuit and the air, and is an indispensable piece of basic equipment for communication systems. With the trend of electronic products becoming light, thin, short, and small, the components for electronic products must also consider this trend in design. Current antenna design is focusing on miniaturization, structure simplif i cation, and multi-band or broadband. An antenna employing ceramics as a substrate has also been known as the small-sized antenna. However, the ceramics is disadvantageous in that it can be easily broken and has a high manufacturing cost since it has to be fabricated using sintering. High dielectric constant polymer based copper clad laminate have drawn much attention due to their easy fabrication, low temperature process, low cost and excellent mechanical properties. The design and fabrication of high dielectric constant polymer based copper clad laminate were reviewed in this paper.

High Dielectric Constant; Copper Clad Laminate; Antenna

TN41 < class="emphasis_bold">文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：

1009-0096（2012）增刊-0044-05

顏善銀，工程師，從事電子電路基材的研發(fā)工作, E-mail: yansy@syst.com.cn。

蘇民社，高級(jí)工程師，從事電子電路基材研發(fā)及相關(guān)管理工作, E-mail: sums@syst.com.cn。