層壓緩沖墊對PTFE介質基板性能的影響

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)

隨著電子信息技術的發(fā)展,各類電子設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)男枨蟆＞鬯姆蚁?PTFE)介質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,并加入陶瓷粉來調節(jié)其介電性能[6-8]。PTFE 介質基板的介質層是由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,最終得到微波復合介質基板材料[9]。用于高頻電路的PTFE介質基板,必須要求厚度均勻,公差小[10]。

真空層壓機是用于生產制造微波復合介質基板的重要設備[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,使介質層和銅箔粘合在一起。

PTFE 介質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。基板的厚度均勻性直接取決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,除此之外還與層壓時使用的緩沖墊的種類和厚度有關[14]。目前,針對短GF和陶瓷粉增強PTFE介質基板,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 主要儀器及設備

精密千分尺：293-240-30型,日本三豐公司；

網絡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),推到高溫層壓機內部,進行高溫熱壓,得到微波復合介質基板,疊層結構如圖1 所示。實驗結構設計列于表1。

圖1 PTFE介質基板疊層結構示意圖

表1 PTFE介質基板層壓實驗設計表

1.4 性能測試與表征

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

介質基板的介電性能：采用網絡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24 個點位的介電常數(shù),以介電常數(shù)的算術平均數(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,測試24 個點位的溫度,以溫度的算術平均數(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,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的壓力均勻性。

2 結果與討論

2.1 緩沖墊的種類和厚度對PTFE 介質基板厚度的影響

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 介質基板目標厚度均值為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介質基板厚度的影響

2.2 緩沖墊的種類和厚度對PTFE 介質基板介電性能的影響

PTFE 介質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構中的界面結合問題,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置的[14],高溫應用的緩沖墊材質一般選用耐熱的陶瓷或者GF,呈現(xiàn)疏松多孔的結構特點,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 介質基板的高溫高壓工藝。由于無機纖維的導熱性能低于金屬材料,緩沖墊的加入會導致介質層受到的溫度較為滯后,需要一定時間料溫才能達到設定溫度。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,導熱效果越差,導致溫度越偏離設定溫度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有關,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,測試結果如圖5 所示。鉛條原始厚度為3.0 mm,當受壓時,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壓力的分布趨勢,從而給層壓實驗帶來一定的指導。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,無法滿足介質基片壓合所需的壓力,這說明層壓機的壓力施加在PTFE 介質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效果最好。當緩沖墊厚度過薄時,起不到緩沖的效果,厚度過厚時,將會導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,保證微波介質基板的性能符合要求。

3 結論

研究了不同厚度和種類的緩沖墊對PTFE介質基板厚度和介電均勻性的影響。結果表明,陶瓷纖維制備的緩沖墊對壓力的緩沖和溫度的傳導效果優(yōu)于GF 制備的緩沖墊。在厚度方面,當緩沖墊厚度過薄時,起不到緩沖的效果,厚度過厚時,將會導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,保證微波介質基板的性能符合要求。