低介電玻纖布研究現(xiàn)狀及其在高頻印制電路板的應(yīng)用

蔣利華，朱月華，張娜，卓寧澤，邢海東，王海波

(南京工業(yè)大學(xué)電光源材料研究所，南京 210015)

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低介電玻纖布研究現(xiàn)狀及其在高頻印制電路板的應(yīng)用

蔣利華，朱月華，張娜，卓寧澤，邢海東，王海波

(南京工業(yè)大學(xué)電光源材料研究所，南京 210015)

摘 要：介紹了國內(nèi)外高頻高速印制電路板(PCB)用電子級玻璃纖維布在介電性能方面的研究情況，分別從玻璃纖維布的改性工藝及其在PCB中的應(yīng)用兩方面進(jìn)行論述。研究表明，通過不同方式的工藝處理，可以在一定程度上降低介電常數(shù)和介電損耗，提升材料的介電性能，研究同時，對玻璃纖維布在PCB中的應(yīng)用做了簡單說明。

關(guān)鍵詞：印制電路板；玻璃纖維；介電常數(shù)；介電損耗

0前言

近年來，隨著電子信息技術(shù)的不斷發(fā)展，平板電腦、智能手機(jī)等電子設(shè)備的不斷普及，使得電子玻璃纖維布、覆銅板(CCL)以及印制電路板(PCB)這同一條產(chǎn)業(yè)鏈上的3個緊密相連的上下游產(chǎn)品不斷地完善和發(fā)展[1]。

現(xiàn)代電子設(shè)備正朝著扁平化、短小化、輕薄化及處理能力高速化的方向發(fā)展。信息的傳輸速度和傳輸量不斷增加，云計算、智能終端等的不斷發(fā)展，對PCB、CCL以及電子玻璃纖維布在性能、加工工藝以及生產(chǎn)成本等方面提出了更高的要求。在這種環(huán)境下，高頻印制電路板(PCB)應(yīng)運(yùn)而生并得到了前所未有的發(fā)展，此類PCB需要介電性能優(yōu)異的CCL和玻纖布來支撐。

材料的介電性能是指在電場作用下，對靜電能的儲蓄和損耗的性質(zhì)，通常用介電常數(shù)(Dk)和介質(zhì)損耗(Df)來表示。Dk是衡量材料存儲電性能能力的指標(biāo)，Dk越低，信號在介質(zhì)中傳送速度越快、能力越強(qiáng)。作為電容器，要求材料具備很高的Dk；作為PCB的組成部分，則需要材料具有極低的Dk。Df是衡量介電材料能量耗損大小的指標(biāo)，Df越低，則信號在介質(zhì)中傳送的完整性越好[2]。當(dāng)電介質(zhì)一定，外加電壓及頻率一定時，介質(zhì)損耗Df與介電損耗正切值(tanδ)成正比，即可以用tanδ來表示介質(zhì)損耗的大小。高頻電路，需要構(gòu)成PCB的主要基材的Dk和Df盡可能低，這有利于提高電路板導(dǎo)線信號傳輸速度，降低信號時間延遲[3]。

一般而言，PCB主要由樹脂基材、增強(qiáng)材料和填料三部分構(gòu)成，優(yōu)化PCB介電性能的主要途徑是降低其組分的Dk和Df。以前高頻PCB主要通過降低樹脂基材的Dk和Df來實(shí)現(xiàn)，而隨著研發(fā)技術(shù)的不斷增強(qiáng)，通過上述方式改變PCB介電性能越來越有限，故國內(nèi)外研發(fā)人員已開始對玻璃纖維進(jìn)行改性，以期使材料具有更低的Dk和Df。玻璃纖維布在PCB中主要起增強(qiáng)作用(比如傳統(tǒng)的FR-4就是采用E玻纖來對環(huán)氧樹脂進(jìn)行增強(qiáng)改性)。E玻纖，其組成中B2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)在5%～10%之間，這從側(cè)面反映了B2O3在玻纖介電性能上的影響。高頻PCB要求增強(qiáng)材料具備低Dk和Df，這樣在智能設(shè)備和計算機(jī)應(yīng)用中，可以具備更快信號傳輸速率。使用最為廣泛的E玻纖在1MHz頻率下的Dk在6.7～7.3之間，這顯然無法滿足高頻PCB的要求[4]。

高頻PCB要求增強(qiáng)材料Dk比E玻纖低，而且越低越好。低Dk和Df的玻纖在高頻微波電路板上具備更好的應(yīng)用前景，如透波材料對tanδ的限制很嚴(yán)，一般要求tanδ≤10-2，Dk也盡可能的小[5]?？偠灾琍CB企業(yè)希望采購到Dk更低的玻璃纖維，而玻璃纖維企業(yè)則希望可以通過更加廉價的方式制備低Dk的玻璃纖維。然而目前市場上的低Dk的玻璃纖維價格昂貴，加工工藝復(fù)雜，不符合企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益要求[6]。

1玻璃纖維布改性工藝

目前國外生產(chǎn)低Dk玻璃纖維的廠家主要是法國Vetrotex公司、美國Erskin egelous公司、日本日東紡織株式會社、美國AGY公司等少數(shù)幾家[4]，國內(nèi)主要是重慶國際復(fù)合材料有限公司、南京玻璃纖維研究設(shè)計院有限公司和四川省玻纖集團(tuán)有限公司[7]。電子玻纖布的技術(shù)領(lǐng)域，總體上無外乎織造技術(shù)(包括玻纖布質(zhì)量、織物結(jié)構(gòu))、開纖技術(shù)和后處理技術(shù)(包括處理液配方和后處理工藝)三方面，在這些方面日本走在了世界的前列[8]。想要制備介電性能優(yōu)異的玻璃纖維，理應(yīng)從上述三方面進(jìn)行研究，而最直接有效的方式是對玻璃內(nèi)部組成進(jìn)行改進(jìn)。

1.1改善玻璃纖維原絲質(zhì)量，減少微氣泡[9]

首先從制備玻璃纖維的源頭開始，提高原絲的質(zhì)量。研究表明，每100萬根單絲中，可能會出現(xiàn)大約100～800根含空心段的玻璃纖維。過去使用的玻璃纖維原絲中存在著微小的難以用肉眼看清的氣泡，在拉制成型過程中氣泡會快速拉長，就會形成幾十厘米長度的空心段。這種有空心段的玻纖不會對普通的PCB板的電絕緣性能產(chǎn)生影響，但對一些高精密儀器，就會產(chǎn)生很大的影響。另外，如果玻璃纖維中含有微氣泡，在基板被鉆孔及孔內(nèi)噴鍍時，容易造成鍍液和鉛液滲入到氣泡的空洞中，使得PCB板的電絕緣性能下降，甚至導(dǎo)致線路發(fā)生短路[10-11]，造成嚴(yán)重后果。

目前日本旭硝子株式會社已經(jīng)利用其特有的玻璃液熔制技術(shù)和拉絲技術(shù)，成功研制出了一種沒有氣泡的玻纖，并且已經(jīng)實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)，廣泛應(yīng)用到了CCL的加工生產(chǎn)中，這對全球的高性能玻纖發(fā)展帶來了非常巨大的推動力[12]。

日本日東紡績株式會社研制成功一種無微量金屬雜質(zhì)的CCL用玻璃纖維布[13]，其通過在捻線機(jī)上裝備可以檢測微量金屬元素的設(shè)備，控制玻璃紗中的微量金屬元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，從而可以提升玻璃纖維整體性能，特別是介電性能和機(jī)械性能。

1.2改善玻璃纖維化學(xué)組成，兼顧加工成本

在現(xiàn)有的技術(shù)條件下，低Dk的玻璃纖維一般具備高質(zhì)量分?jǐn)?shù)的SiO2或是高質(zhì)量分?jǐn)?shù)的B2O3，亦或者是同時具備上述兩高質(zhì)量分?jǐn)?shù)，如D玻纖[4]。日本旭硝子株式會社開發(fā)的D-玻纖，其玻璃成分：SiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)75%，B2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)20%，MgO質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.5%，CaO質(zhì)量分?jǐn)?shù)1%，堿金屬氧化物質(zhì)量分?jǐn)?shù)合計3%。其Dk僅為E玻纖的1/3，tanδ僅為E玻纖的1/4[14]?？梢钥闯銎渲袎A金屬和堿土金屬氧化物的含量非常低，這將會導(dǎo)致成纖溫度過高，D玻纖的成纖溫度為1 400 ℃。堿金屬氧化物是助熔氧化物，它可以降低玻璃的熔化溫度和粘度，使玻璃溶液中的氣泡容易排除，通過破壞玻璃骨架，使結(jié)構(gòu)疏松，從而達(dá)到助熔。堿金屬含量越高，玻璃纖維的強(qiáng)度、電絕緣性和化學(xué)穩(wěn)定性會相應(yīng)的降低，但是其成纖溫度越低。然而D玻纖堿金屬氧化物含量低，成纖溫度過高，使得加工性能變差，同時B2O3是玻璃纖維中價格比較昂貴的一種原料，這就導(dǎo)致D玻纖的生產(chǎn)成本明顯提高；當(dāng)然如果堿金屬和堿土金屬氧化物的含量提高，玻璃的加工工藝得到了改善，成本降低，但是其介電性能就會受到影響[15]，所以玻璃介電性能與加工成型工藝之間存在著矛盾，需要對組分進(jìn)行合理的分配。

為了在上述兩者中取得平衡，日本日東紡績株式會社在D玻纖的基礎(chǔ)上，研制成功一種低Dk電子布，即NE型電子玻纖布[16]，其組分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)如表1所示。

表1　NE型電子玻纖布組分

相對于E玻纖和D玻纖，NE型電子玻纖布的介電性能與D玻纖相當(dāng)，比E玻纖要好，但是其成纖溫度不超過1 360 ℃，相對而言，其加工成型性得到了一定的提高，成本略有下降。

另外，國內(nèi)外也推出了一些無硼玻纖，日本公開專利顯示，其制備的玻纖不含B2O3，在1MHz頻率下的Dk為5.2～5.3。而我國研發(fā)成功的無堿無硼玻纖，主要成分是SiO2：50%～55%，Al2O3：20%～25%，CaO：10%～15%，MgO：10%～15%，BaO：0%～5%，TiO2：0%～1.5%，ZrO2：0%～1.2%，CeO2：0%～1.2%，B2O3<0.1%，Na2O<0.5%。因?yàn)檫@種玻璃中不含堿金屬氧化物，而含大量二價金屬離子和一些高場強(qiáng)離子，從而使網(wǎng)絡(luò)填充程度增加，阻礙了雜質(zhì)堿金屬離子的遷移，因此具有優(yōu)良的電絕緣性能[17]，同時也解決了因含硼元素而引發(fā)的環(huán)境污染問題。

為了提高PCB、CCL的整體性能，同時又能很好地控制生產(chǎn)成本，一方面可以降低B2O3的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，比如低于13%或者低于12%，另一方面可以使用價格相對廉價的材料，比如BaO或者ZnO[4]。

1.3采用開纖技術(shù)，實(shí)現(xiàn)電子布扁平化

由于電子產(chǎn)品越來越輕薄短小，促使玻璃纖維不斷地變薄，甚至達(dá)到超薄的程度[18]，而傳統(tǒng)的玻璃纖維由于布面的經(jīng)、緯紗交疊處微微凸起，造成布的厚度很厚，影響CCL的整體性能。在20世紀(jì)80年代中期，國外研制成功一種被稱為“開纖布”的新型電子布，采用高壓射水的流水壓力或通過機(jī)械應(yīng)力等物理方法進(jìn)行開纖處理，使得電子布的經(jīng)、緯紗被開松攤平，交疊處不再凸起，空隙被填滿或縮小，布面平滑性得到不同程度的提高。所制備的開纖布應(yīng)用于半固化片和覆銅板上，可以提高板的浸透性和加工性，實(shí)現(xiàn)焊接耐熱性以及尺寸穩(wěn)定性的大幅提升[19]，同時在板層壓成型中抑制了樹脂絕緣層中微孔的發(fā)生，這樣印制電路板在機(jī)械鉆孔時，鉆頭不易跑偏，鉆孔位置精度上升，不至于鉆頭折斷，在改善板鉆孔性的同時，也降低了成本[20]。

覆銅板用的超極薄玻纖布主要在采用降低經(jīng)緯紗圍出的孔隙面積、所用紗進(jìn)行扁平化加工、玻纖布實(shí)現(xiàn)開纖化三方面技術(shù)，使得用此玻纖布制出的基板在層間絕緣可靠性上有所提高[21]。

經(jīng)過開纖后，還可以將部分經(jīng)、緯紗加工成單絲斷裂，形成一層均勻的細(xì)密茸毛，故稱此種布為“起毛布”，起毛布生產(chǎn)板的鉆孔性比開纖布的要優(yōu)異[22]。

上述兩種布都有助于改善板的耐離子遷移性，起到了很好的電絕緣效果，對降低Dk和降低Df都有明顯的效果。

1.4改善后處理技術(shù)(處理液和后處理工藝)，提升層間絕緣可靠性

玻璃纖維表面處理劑是一種化學(xué)物質(zhì)，它既能與塑料中的玻璃纖維反應(yīng)，也能與樹脂反應(yīng)，從而在玻璃—樹脂界面上形成了強(qiáng)的“鍵橋”，促進(jìn)了玻璃纖維與樹脂的粘結(jié)，提升玻纖布與樹脂間的界面特性，改善多層板層間電絕緣可靠性。

玻璃纖維與樹脂之間的這種粘結(jié)，在固化收縮時不會產(chǎn)生收縮應(yīng)力和耐水性的破壞，同時在高溫高濕條件下也不易被破壞[23]。

玻璃纖維布的表面處理是電子布生產(chǎn)過程中最后的一道工序，其是否處理好直接影響覆銅板的外觀、性能以及印制電路板的成型加工性能和電性能等。目前在玻纖行業(yè)，常規(guī)的表面處理方法有熱處理法、酸堿刻蝕處理法、偶聯(lián)劑法、等離子體表面處理法以及稀土元素處理法[24]，其中偶聯(lián)劑法使用最常見，其又衍生出了前處理法、后處理法和遷移法三種方法[25]。目前使用的偶聯(lián)劑主要有有機(jī)鉻、有機(jī)硅和鈦酸酯，其中硅烷偶聯(lián)劑使用最為廣泛，綜合效果也最佳。

南京玻纖院高級工程師陳程林[26]經(jīng)過不斷研究發(fā)現(xiàn)，玻璃纖維通過熱處理、化學(xué)處理(偶聯(lián)劑法)、遷移法處理都能較顯著地提高層壓板電性能，數(shù)據(jù)如下表2。

表2　玻璃布表面處理方式對層壓板電性能的影響

一般而言，如果玻璃纖維未經(jīng)過后處理，則其表面極易吸附各種氣體、水蒸氣、塵埃等，這會影響其表面張力，與樹脂基體壓合所形成的層壓板，很容易因?yàn)槭艹?、浸水等原因而發(fā)生開裂，這將限制產(chǎn)品的使用范圍，降低產(chǎn)品的整體性能。

上述數(shù)據(jù)表明，玻璃布經(jīng)熱處理除掉石蠟浸潤劑，可以提升其自身的介電性能。并且有人指出，石蠟浸潤劑被除去得越徹底，介電性能提升的越明顯。同時進(jìn)一步偶聯(lián)劑化學(xué)處理，可以使層壓板電性能大幅提高。特別是濕態(tài)電性能與原布比較，絕緣電阻得到一定程度提高，損耗因數(shù)和介電常數(shù)分別降低70%和50%[24]。說明合理的偶聯(lián)劑和合理的表面處理方法對板的性能的提高具備十分重要的作用。

2低Dk和Df玻璃纖維布在高頻PCB中的應(yīng)用

微波PCB的高頻和高速化，普遍要求原料基材可以達(dá)到低介電性能，而目前主要的手段是通過降低樹脂基材和增強(qiáng)材料的Dk和Df，或者是改變填料的形態(tài)和添加方式來實(shí)現(xiàn)。其中玻璃纖維布主要在高頻PCB中起增強(qiáng)作用，可以用于提升材料的力學(xué)性能。傳統(tǒng)E-玻纖，其Dk一般在6.6左右，明顯高于一般樹脂基材(聚四氟乙烯Dk為2.0左右)，所以降低玻纖的介電性能尤為重要，如果無法降低玻纖的Dk，那么制備而成的PCB的Dk無法滿足高頻微波電路板的應(yīng)用要求，而且在高頻PCB中玻纖占有較高的體積分?jǐn)?shù)，因此其決定著高頻PCB整體介電性能[27]。

研究表明，采用低介電玻纖布有利于CCL和PCB獲得更加優(yōu)異的介電性能。目前通過上述幾種方法制備得到的低介電玻璃纖維布在高頻PCB中應(yīng)用越來越廣泛，所制備的PCB的性能也越來越優(yōu)異，擴(kuò)大了PCB的使用范圍：從低端的濾波器、耦合器、低噪聲放大器以及數(shù)字廣播天線，到高端的低損耗的基站天線、軍事雷達(dá)和導(dǎo)彈制導(dǎo)系統(tǒng)；從民用到軍事。而低介電性的玻璃纖維布技術(shù)目前主要還是掌握在少數(shù)幾個發(fā)達(dá)國家，比如日本，其在玻璃纖維布的研制方面一直走在世界的前列，所制備的D玻纖、NE玻纖、開纖布等已經(jīng)廣泛的應(yīng)用到了實(shí)際生活生產(chǎn)中，并且獲得了很好的用戶體驗(yàn)。

隨著電子信息工業(yè)的快速發(fā)展，智能手機(jī)的迅速普及，云計算和5G信息時代的來臨，我國PCB市場對介電性能優(yōu)異的玻璃纖維需求越來越大，然而國內(nèi)低介電玻璃纖維的生產(chǎn)技術(shù)還不十分成熟，基本無法滿足市場大規(guī)模的生產(chǎn)需要。目前國內(nèi)生產(chǎn)高端的CCL和PCB時，一般都采用進(jìn)口玻璃纖維布。在玻纖布方面，國內(nèi)存在的問題主要是如何在提高玻纖布性能的同時，兼顧其加工工藝和生產(chǎn)成本。這就促使國內(nèi)主要玻纖生產(chǎn)企業(yè)不斷優(yōu)化生產(chǎn)方法，創(chuàng)新加工工藝，來提升玻纖性能，降低成本。相信不久的將來，國內(nèi)的玻纖布性能一定會達(dá)到國際水平。

3結(jié)論

隨著電子信息工業(yè)的不斷發(fā)展，科技水平的不斷進(jìn)步，人們希望所制備的CCL在不同頻率下，其Dk和Df都很小，而且很穩(wěn)定，幾乎沒有變化，同時在溫濕度條件下，也很穩(wěn)定[28]，但是現(xiàn)有的產(chǎn)品已經(jīng)無法滿足人們的需求，這就需要科研人員通過不同的手段，從不同方向來提升它們的性能滿足日益增長的需求。本文通過對玻璃纖維在織造技術(shù)(包括玻纖布質(zhì)量、織物結(jié)構(gòu))、內(nèi)部組成、開纖技術(shù)和后處理技術(shù)(包括處理液配方和后處理工藝兩個方向)四方面的分析可知，提高原絲質(zhì)量，減少氣泡率，改變化學(xué)組成，采用開纖技術(shù)以及偶聯(lián)劑處理，一定程度上改善玻璃纖維布介電性能，擴(kuò)大產(chǎn)品的使用范圍。目前來說，國內(nèi)超薄、高性能的玻纖的研究十分的匱乏，而國外，特別是日本，在技術(shù)和生產(chǎn)已經(jīng)趨于完善。希望各研究所能與玻纖企業(yè)進(jìn)行通力合作，早日能處于世界領(lǐng)先水平。

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The Research of the Low Dielectric Properties of Fiberglass and the Application of Fiberglass in High Frequency Printed circuit Board

Jiang Lihua，Zhu Yuehua，Zhang Na，Zhuo Ningze，Xing Haidong，Wang Haibo

(Research Institute of Electron-Light Material NJUT，Nanjing 210015)

Abstract:The researches on glass fiber cloths used for high-frequency and high-speed printed circuit boards(PCB)at home and abroad are presented.These researches have shown that the dielectric constant(Dk)and dissipation factor(Df)of glass fiber cloths can be lowered to some extent by various means.The study also describes the application of these glass fiber cloths in PCB.

Key words:printed circuit board；glass fiber；dielectric constant；dielectric loss

中圖分類號：TQ171.77+7

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

收稿日期：2016-03-17

作者簡介：蔣利華，男，1987年生，助理工程師。主要從事玻璃纖維復(fù)合材料方面的研究。

修回日期：2016-05-18