聚四氟乙烯覆銅板發(fā)展概況

李 苗，鄒嘉佳，劉建軍，程明生

（中國電子科技集團公司第三十八研究所，合肥 230031）

1 前言

覆銅層壓板是在絕緣材料一面或兩面覆以銅箔，在一定溫度和壓力下經(jīng)層壓而成的一種板狀材料。作為印刷電路板（PCB）用基板材料，其已成為電子信息產(chǎn)品互聯(lián)載體的重中之重，其性能直接影響產(chǎn)品的可靠性。隨著電子信息產(chǎn)品向高速度、多功能、大容量和便攜低耗方向發(fā)展，傳統(tǒng)的FR4基板無法滿足使用要求，其逐漸被高速化、高可靠性的微波復(fù)合介質(zhì)基板替代。聚四氟乙烯(PTFE)材料具有損耗低、介電常數(shù)穩(wěn)定、化學(xué)穩(wěn)定性高、吸水率低和耐候性好等諸多優(yōu)點，1960年美國杜邦公司首次將其用于制造耐熱、低介電常數(shù)的印制板，主要用于軍事、航空航天等領(lǐng)域。上世紀末，Rogers公司研制出PTFE微波復(fù)合陶瓷介質(zhì)基板，該基板除基礎(chǔ)支撐作用外，還可直接制成濾波器、混頻器、天線的接收和發(fā)射組件等各種功能性器件，深受微波設(shè)計人員的青睞。隨著PTFE研發(fā)技術(shù)以及通信技術(shù)的不斷發(fā)展，國內(nèi)外人員對PTFE覆銅板進行了大量研究[1-6]。本文根據(jù)國外PTFE覆銅板的研發(fā)情況，對PTFE覆銅板進行分類，著重介紹國內(nèi)PTFE覆銅板發(fā)展概況及面臨的挑戰(zhàn)，并對PTFE覆銅板的發(fā)展趨勢進行了簡單介紹。

2 PTFE覆銅板分類

美軍標MIL-P-13949根據(jù)不同玻纖增強方式將PTFE覆銅板分為三大類，如表1所示。

表1 美軍標MIL-P-13949關(guān)于PTFE覆銅板的分類

隨著電子產(chǎn)品對覆銅板提出更高的要求，如高頻、高速、多功能等，國外廠家不斷改善PTFE覆銅板的性能并開發(fā)新的產(chǎn)品。目前各廠家供應(yīng)的PTFE覆銅板種類繁多，型號琳瑯滿目，部分產(chǎn)品已超出上述標準分類的范疇。但究其材料組成，PTFE覆銅板主要包括玻纖增強型(玻纖/PTFE型)和陶瓷粉填充型(包括陶瓷/PTFE型、陶瓷/玻纖/PTFE型)兩大類。圖1為知名覆銅板廠商Rogers(包括并購的Arlon公司產(chǎn)品)、Taconic公司所開發(fā)出的部分商用覆銅板類型[8-9]。

PTFE雖然具有優(yōu)良的電氣性能，但由于其玻璃轉(zhuǎn)化溫度（Tg）很低，剛性很差、機械強度不夠，這就決定了其苛刻的加工條件，嚴重影響覆銅板的使用可靠性。因此，在PTFE基材中添加玻纖增強材料是解決以上問題的方案之一[10-12]。玻纖增強型覆銅板主要包括玻璃短纖維增強和玻纖布增強兩種形式。玻璃短纖維在PTFE樹脂內(nèi)的隨機分布可增加覆銅板的機械加工精度，為電路應(yīng)用和生產(chǎn)過程提供最大的強度增強。代表性產(chǎn)品有 Rogers公司 RT/duroid?5870(Dk/Df，2.20±0.02/0.0009) 和 RT/duroid? 5880(Dk/Df，2.33/0.0012)覆銅板。相比玻璃短纖維增強，多家企業(yè)更傾向于采用玻纖布增強形式。雖然玻璃短纖維各向同性好，Z軸CTE相對較低，但玻纖布較玻璃短纖維更利于加工，所制成的板材尺寸穩(wěn)定性更好。合理控制玻纖布和PTFE比例含量可以使覆銅板獲得理想的介電常數(shù)。代表性的產(chǎn)品有Rogers公司的CuClad?系列覆銅板(Dk，2.17～2.60)，Taconic 公司的 TLY 系列(Dk，(2.17～2.20)±0.02)。

圖1 Rogers、Taconic公司部分PTFE覆銅板分類

由于 PTFE 熱膨脹系數(shù)(CTE，100×10-6/℃)很大，與銅箔（CTE，16×10-6/℃）不匹配，嚴重影響了器件焊接的可靠性。且隨著微波電路工作對覆銅板提出了耐熱等性能指標，陶瓷粉填充型PTFE覆銅板應(yīng)運而生[13-16]。陶瓷粉填充型PTFE覆銅板主要包括陶瓷/PTFE型和陶瓷/玻纖/PTFE型兩種。介電常數(shù)范圍較寬，可滿足不同產(chǎn)品對高低不同介電常數(shù)性能的要求。陶瓷/PTFE型產(chǎn)品有Rogers公司的RO3003TM(Dk/Df，3.00±0.04/0.0010)、RO3006TM(Dk/Df，6.15 ±0.15/0.0020)、RO3010TM(Dk/Df，10.20±0.30/0.0022)，該類型產(chǎn)品隨溫度變化擁有出色的介電常數(shù)穩(wěn)定性。目前，陶瓷/玻纖/PTFE型覆銅板市場應(yīng)用較廣。代表性的產(chǎn)品有Rogers公司的 RT/duroid?6002(Dk/Df，2.94/0.0012)覆銅板，PTFE基體中填充陶瓷粉和玻璃短纖維，該產(chǎn)品擁有出色的電氣和機械性能，可滿足微波電路的嚴格要求，獲得了市場的廣泛認可；此外，RT/duroid?6006(Dk/Df，6.15±0.15/0.0027)、RT/duroid?6010LM(Dk/Df，10.20±0.25/0.0023)具有高介電常數(shù)、低介質(zhì)損耗、低吸水率以及良好的機械熱穩(wěn)定性；陶瓷/玻纖布/PTFE型CLTE系列覆銅板，其中 CLTE-XTTM(Dk/Df，2.94/0.0012)除保持良好機械穩(wěn)定性外還獲得了更低的介質(zhì)損耗，CLTE-MWTM(Dk/Df，(2.94～3.02)±0.04/0.0015)覆銅板采用開玻纖布，與填料混合更加均勻，降低電磁傳播的高頻玻纖效應(yīng)影響；特定陶瓷填料/玻纖布/PTFE型AD系列覆銅板，該系列產(chǎn)品具有介電常數(shù)范圍廣（2.50～10.20）、低損耗（0.0014～0.0030@Z10 GHz）、可靠性高等優(yōu)點，可滿足設(shè)計者不同的需求。

3 PTFE覆銅板國內(nèi)發(fā)展概況

自PTFE材料引入PCB基板材料以來，國外針對PTFE覆銅板的研發(fā)和生產(chǎn)已有近60年的歷史，國外企業(yè)包括Rogers、Taconic、Neltec等對其展開了大量研究，掌握了關(guān)鍵技術(shù)和核心知識產(chǎn)權(quán)[17-18]，其產(chǎn)品幾乎壟斷了PTFE覆銅板的市場。與國外相比，國內(nèi)研發(fā)PTFE覆銅板開始較晚，但隨著PTFE覆銅板市場的逐步擴大，國內(nèi)逐漸重視微波覆銅板的開發(fā)。

國內(nèi)研究單位如電子科技大學(xué)、華南理工大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)、南京工業(yè)大學(xué)、中國電科第46所等[19-22]都對PTFE覆銅板進行了一些研究，研究內(nèi)容主要集中在PTFE覆銅板成分調(diào)配和工藝參數(shù)的摸索上，包括PTFE含量、填料種類和含量、有機-無機界面狀態(tài)、成型工藝路線和工藝參數(shù)等；部分可實現(xiàn)小批量生產(chǎn)，并獲得相關(guān)專利，但要實現(xiàn)商用批產(chǎn)，工藝路線穩(wěn)定性和產(chǎn)品可靠性、一致性等關(guān)鍵問題亟需突破。

國內(nèi)PCB企業(yè)如泰州旺靈、常州中英等大力開發(fā)PTFE覆銅板產(chǎn)品[23]，形成了PTFE系列產(chǎn)品體系，在國內(nèi)市場上占有率逐步增大。泰州旺靈的PTFE產(chǎn)品包括玻纖布增強PTFE樹脂系列(F4B-1/2(Dk/Df，2.55、2.65/≤0.0015)、F4BMX-1/2(Dk/Df，2.17～2.20/≤0.0010，2.45～3.00/≤0.0014))和玻纖布/PTFE/納米陶瓷復(fù)合介質(zhì) 基 板 (F4BM-2-A (Dk/Df，2.55～2.85/≤0.0015，2.94～3.00/≤0.0020))等系列產(chǎn)品。常州中英PTFE高頻覆銅板產(chǎn)品包括純PTFE樹脂類 (ZYF-D(Dk，2.14～2.65)、ZYF-A(Dk，2.14～2.65))、PTFE/納米陶瓷填料類(ZYF-CA(Dk，2.17～2.66))等產(chǎn)品。廣東生益與日本中興化成合作推出了 GF77G(Dk/Df，2.28±0.04/≤0.0012)系列產(chǎn)品，具有較低的介電常數(shù)和介質(zhì)損耗，是一種適用于毫米波電路的高頻基板。

總的來看，國內(nèi)PTFE覆銅板產(chǎn)品與國外產(chǎn)品還有很大差距，主要表現(xiàn)在：覆銅板品種相對單一(原材料依賴進口、結(jié)構(gòu)組成單一、介電常數(shù)覆蓋范圍窄等)，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性、一致性欠佳，產(chǎn)品可靠性（CTE穩(wěn)定性、Dk穩(wěn)定性等）有待提高，部分高端領(lǐng)域用產(chǎn)品仍存在空白等。可見，要突破歐美等國外企業(yè)的長期壟斷，實現(xiàn)PTFE覆銅板國產(chǎn)化，我國PCB企業(yè)仍面臨著巨大的挑戰(zhàn)。首先是原材料及生產(chǎn)設(shè)備方面的挑戰(zhàn)，例如開發(fā)低介電常數(shù)、低損耗的玻纖增強材料或有機纖維，開發(fā)多樣化填料，開發(fā)超光滑銅箔以及研發(fā)覆銅板生產(chǎn)設(shè)備等。其次是覆銅板結(jié)構(gòu)設(shè)計和工藝路線方面的挑戰(zhàn)。隨著市場需求的多樣化，對覆銅板的介電性能、導(dǎo)熱性、CTE、可加工制造性等方面提出了更高的要求。發(fā)展玻纖增強技術(shù)、填料技術(shù)，開發(fā)可靠的工藝路徑，實現(xiàn)覆銅板結(jié)構(gòu)的多樣化，才能滿足不同市場的需求。最后是覆銅板可靠性、一致性方面的挑戰(zhàn)。國內(nèi)PTFE覆銅板產(chǎn)品性能的穩(wěn)定性與可靠性欠佳。除了從技術(shù)上進行根本突破外，還必須加強過程管控。

4 PTFE覆銅板發(fā)展趨勢

隨著不斷發(fā)展的通信市場，如5G無線通信、車載雷達系統(tǒng)等的發(fā)展，工作頻段從MHz向GHz高頻段演進，作為互聯(lián)載體的基板材料必須不斷改善產(chǎn)品性能、開發(fā)新產(chǎn)品才能滿足高頻段應(yīng)用的需求。根據(jù)國內(nèi)外市場上推出的PTFE覆銅板，本文總結(jié)其發(fā)展趨勢主要有以下幾點[24-26]。

4.1 基板多層化

PCB板逐漸朝多層化方向發(fā)展，這就要求基板材料能夠進行復(fù)雜的結(jié)構(gòu)加工，如何保持良好的介電性能、改善CTE值、提高機械加工性能，一直是PTFE覆銅板企業(yè)必須攻關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)。Taconic公司研制出了納米級填料PTFE覆銅板，其納米填料比例(90%)遠高于PTFE樹脂含量，提高了加工可靠性，層壓后銅箔表面光滑，降低了傳輸損耗。此外，Rogers公司采用空心球填充技術(shù)，大大降低了Z向的CTE值，通過改善尺寸穩(wěn)定性提高了覆銅板的加工性能。

除改變基板材料本身的加工性能外，開發(fā)PTFE多層板用粘結(jié)片也是各大企業(yè)發(fā)展的熱門方向。如Taconic公司開發(fā)的FastRise系列粘結(jié)片，由上下兩層熱固樹脂加中間改性PTFE膜組成，具有優(yōu)異的加工性能，適用于制造微波多層板。

4.2 基板可靠性和尺寸一致性

不管是高頻微波信號傳輸還是寬溫度范圍應(yīng)用環(huán)境的需求，都對基板材料提出了高可靠性、一致性的要求。提高尺寸穩(wěn)定性，保證穩(wěn)定的介電常數(shù)，進而滿足可靠性與一致性的要求，是發(fā)展PTFE覆銅板的必然趨勢。Rogers公司提出衡量材料Dk隨溫度變化的參數(shù)——介電常數(shù)溫度系數(shù)(TCDk)，其開發(fā)的陶瓷填充PTFE覆銅板RO3003TM，無玻纖補強，具有低CTE值、低吸水性和極低的TCDk(-3×10-6/℃，-50℃～150℃)，可保證板材在寬溫度范圍工作時電氣性能穩(wěn)定，可靠性高。

4.3 賦予產(chǎn)品特定的性能

電子產(chǎn)品向小型化、集成化、高速低功耗方向發(fā)展，小空間大功率必然會造成熱量聚集，微波基板材料作為互聯(lián)載體，需賦予其高散熱性這一新功能。Rogers公司開發(fā)出具有耐高溫/高導(dǎo)熱性的PTFE型覆銅板以及底基附鋁板的金屬基PTFE型覆銅板，產(chǎn)品有 RT/duroid?6035HTC、RO3006HTCTM、TC350TM、TC600TM等，是應(yīng)對高導(dǎo)熱性微波基板材料市場需求的熱管理解決方案。

4.4 低成本

PTFE覆銅板由于其特殊的性能，導(dǎo)致其加工困難、成本較高。隨著混合樹脂基材多層板的運用與非PTFE樹脂覆銅板引入高頻微波基板市場，PTFE覆銅板所面臨的形式更加嚴峻。如何提高覆銅板綜合性能、降低生產(chǎn)成本是各大企業(yè)提升其產(chǎn)品市場競爭力的有力手段。高頻電路用多層板采用PTFE微波基板+FR4型覆銅板不同樹脂復(fù)合的結(jié)構(gòu)形式，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)多層化，還可以降低成本，但同時也對多層板的層間結(jié)合力和尺寸穩(wěn)定性提出了更高的要求。

5 結(jié)束語

PTFE覆銅板作為一種介電性能優(yōu)異的基板材料，具備傳統(tǒng)FR4基板等所不具備的特性，非常適合應(yīng)用于微波電路中。自PTFE材料引入覆銅板以來，國外業(yè)界高度重視，以Rogers公司為代表，在PTFE覆銅板結(jié)構(gòu)設(shè)計和功能開發(fā)上積累了大量經(jīng)驗，開發(fā)了一系列產(chǎn)品，基本壟斷了國內(nèi)市場。高頻微波基板市場的逐步擴大對PTFE覆銅板不斷提出新的要求，促使其朝高可靠性、多功能、多層化和低成本等方向發(fā)展。雖然國內(nèi)開始研發(fā)PTFE覆銅板時間較晚，在新產(chǎn)品開發(fā)、技術(shù)水平和生產(chǎn)設(shè)備等方面與國外仍有很大的差距，但隨著現(xiàn)代通訊技術(shù)的飛速發(fā)展以及國家對微波介質(zhì)基板研發(fā)的有力支持，國內(nèi)覆銅板的研發(fā)也面臨著新的發(fā)展機遇。

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