CN101155470A - 印刷电路板用绝缘材料 - Google Patents

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Abstract

本发明披露了一种印刷电路板用绝缘材料，包括液晶聚酯树脂和陶瓷粉末，从而表现出在－55℃～125℃的温度范围内的电容温度系数在－300ppm/℃至＋300ppm/℃的范围内，并且介电常数在5至40的范围内。这种绝缘材料具有优良的介电性能，并且介电常数根据温度变化产生微小变化，从而在被应用于高频电路时表现出高的可靠性。

Description

印刷电路板用绝缘材料
相关申请的交叉引用
本申请要求于2006年9月29日提交的题名为“印刷电路板用绝缘材料”的韩国专利申请第10-2006-0095758号的优先权，将其全部内容结合于本申请中。
技术领域
本发明通常涉及一种印刷电路板(PCB)用绝缘材料。本发明更尤其涉及这样一种PCB用绝缘材料，其包括液晶聚酯树脂和陶瓷粉末，以表现优良的介电性能和使介电常数随温度变化而发生微小变化，从而在当被应用于高频电路时可实现极好的可靠性。
背景技术
通常，沿着PCB的线路传输的信号的频率的增加与电子装置的速度和电容的增加成比例。为了在没有例如信号反射的损失的情况下传输高频信号，输入端与输出端的阻抗匹配被认为非常重要。
当工作频率增加至高频时，尤其是增加至GHz(千兆赫)级时，在信号线与GND(地)之间的信号的几乎所有有功部分都以交流场的形式传输。因此，当在信号线与GND之间的绝缘材料(衬底电介质)的高度或介电常数完全一致时，例如可归因于阻抗差产生的信号反射等信号损失可以被减小，而且可以确保信号的完整。
在这方面上，主要被用作PCB绝缘材料的环氧树脂，例如FR-4，其介电常数随温度的变化而发生较大变化，如在图1中所说明的，所以相对于25℃下的介电常数，在-55℃下为-91897ppm，并且在125℃下为81712ppm。据此，TCC(电容温度系数)被确定为960ppm/℃或更大。考虑到阻抗匹配，环氧树脂的介电常数随温度发生较大变化可以被认为是限制了用于传输高频信号的PCB电路的设计能力。电子装置的介电常数随周围环境、尤其是温度而变化，因此，所匹配的信号线的阻抗发生变化，不期望地产生信号损失，例如信号反射。
为了解决由于在高频信号传输时的阻抗不匹配而产生的问题，现在，在大学和研究所中，以及一些先进的衬底制造商都正在广泛地进行具有随温度变化而稳定的介电常数、即低TCC(电容温度系数)的PCB用绝缘材料的开发。
至今，随着向用于增加传输速度的低介电常数和用于减小信号损失的低耗散因数发展的趋势，人们已经在积极开发用于高频信号传输的绝缘材料。用于高频信号传输的绝缘材料的开发已经进展到制备具有比传统环氧树脂更低的介电常数和耗散因数的树脂以及通过高频陶瓷填料的分散/添加来改善介电性能。
在以前的情况下，已经进行了向传统的环氧树脂添加PPE(聚苯醚)或将环氧结构形成为互相贯通的网络的研究。但是，在环氧树脂中加入PPE的情况下，由于PPE是热塑性树脂而难以获得半固化片，并且难以选择合适的溶剂。而且，由于TCC不能充分降低，所以用于互相贯穿的网络结构的形成以及高频陶瓷填料的添加的方法都很困难。
为了克服这些问题，已经尝试将具有高电特性的、尤其是高的介电性能的官能聚合物，包括LCP(液晶聚合物)或BCB(二乙烯-硅氧烷-二-苯并环丁烯)，应用于PCB。
如在图2中所说明的，BCB具有低耗散因数和稳定的TCC性能，但是因为其价格昂贵并且容易在固化反应中破裂，所以是不利的。而且，该聚合物不容易形成膜，并且非常难以商业化。尽管LCP具有优良的介电性能，包括介电常数和耗散因数，但是由于如图3中所说明的，在高温(125℃)下，其TCC高达约900ppm/℃，所以难以用于高频电路。
发明内容
为了获得本发明，解决相关领域内所遇到的问题而进行集中和广泛的研究，其结果发现：将高频陶瓷填料分散在液晶聚酯树脂中，由此可获得具有优良的介电性能的且介电常数随温度变化而较小变化的PCB用绝缘材料。
因此，本发明提供一种可被应用于高频电路的PCB用绝缘材料。
此外，本发明提供一种与传统的环氧树脂和工程聚合物相比具有较低耗散因数和介电常数随温度更小变化的PCB用绝缘材料。
根据本发明，PCB用绝缘材料可以包括液晶聚酯树脂和陶瓷粉末，从而在-55℃～125℃的温度范围内具有的TCC在-300ppm/℃至+300ppm/℃的范围内，并且其介电常数为5至40。
绝缘材料可以具有的耗散因数为0.01或更低。
陶瓷粉末可以具有的化学组分为(1-x)(CaTiO3)·x(LaAlO3)，(其中，x＝0.001～0.5)。
在绝缘材料中，可以包含10vol％至50vol％量的陶瓷粉末。
陶瓷粉末可以具有的平均粒径为0.1μm至5μm。
液晶聚酯树脂可以是芳香族液晶聚酯树脂。
附图说明
图1是示出环氧树脂的介电常数随温度变化的图；
图2是示出官能聚合物(例如，BCB)的介电常数随温度变化的图；
图3是示出官能聚合物(例如，LCP)的介电常数随温度变化的图；
图4是示出微波传输带的结构的视图；
图5是示出在本发明的制备例1中制备的CTLA中的根据LaAlO3的量的TCC性能的图；
图6是示出本发明的实施例1中的绝缘膜的介电常数根据化学组分和填料的量而变化的图；以及
图7是示出本发明的实施例1中的CTLA(其中x＝0.2)、LCP、及其混合物的TCC性能。
具体实施方式
下面将参照附图给出本发明的详细说明。
为了满意地传输高频信号，在多层衬底中，将电路设计为使用微波传输带(microstrip)结构，其中信号线与GND之间的关系可明确地设定，由此确保设计容易。如在图4中所说明的，微波传输带具有用于以这样的方式形成电路的衬底结构，使得将用于GND的电极20形成在整个底表面上，中间绝缘体(电介质)10的高度h和介电常数εr被精确地确定，然后将信号线30对应于该高度/介电常数而设置在顶表面上。为了实现阻抗匹配，不仅微波传输带衬底的信号线30的宽度W和厚度t，而且其中间绝缘体10的高度h和介电常数εr都应该被精确地确定。
本发明涉及一种PCB用绝缘材料，其可以被用作如上面所提到的高频电路设计中的中间绝缘体(电介质)。该绝缘材料的特征在于其具有优良的介电性能，包括介电常数和耗散因数，以及介电常数随温度变化而发生微小的变化。
根据本发明的优选的具体实施方式，可通过在液晶聚酯树脂中分散高频陶瓷填料的方法来获得具有希望的介电性能的绝缘材料。
绝缘材料表现出的TCC在-55℃～125℃的温度范围内为-300ppm/℃～+300ppm/℃，优选为-30ppm/℃～+280ppm/℃；并且具有的介电常数为5～40，优选为5～15。
绝缘材料具有的耗散因数为约0.01或更低，优选为0.005～0.008，其比传统的环氧树脂和工程聚合物的耗散因数低得多。
在本发明中使用陶瓷粉末，以通过具有低耗散因数和-TTC性能的陶瓷粉末在具有+TCC性能的液晶聚酯中的分散来改善TCC性能，其中介电常数的增加与温度的增加成比例(图3)。
同样，本发明中所使用的陶瓷粉末可以是具有的化学组分为(1-x)(CaTiO3)·x(LaAlO3)的CTLA基的粉末，其中x为0.001～0.5，优选为0.15～0.35，以适合于表现出希望的介电性能。
在绝缘材料中，陶瓷粉末的量可根据最终用途进行适当调整，优选设定为10vol％至50vol％，更优选为22vol％至37vol％。
陶瓷粉末的平均粒径没有特别限制，但是优选设定为0.1μm至5μm，以改善可分散性和可加工性。
通过下面的实施例可以更好地理解本发明，这些实施例用于解释本发明，但不应理解为限制本发明。
制备例1
作为具有化学组分为(1-x)(CaTiO3)·x(LaAlO3)的CTLA基填料的粉末，其中x为0.01、0.1、以及0.2，分别通过如下方法制备。
首先，作为起始物质，可以使用具有99.9％或更高的高纯度CaCO3，以及TiO2、La2O3、和Al2O3，并且称量每种材料以适合于形成组分(Ca1-x，Lax)(Ti1-x，Alx)O3(x＝0.01，0.1，0.2)，将其放入浆槽中，然后用高速溶解器进行湿混。粉末材料和水的重量比为2∶1，并且加入0.5wt％的分散剂以改善混合效果和可分散性。
为了减少La2O3在材料加入时的水合，首先加入CaCO3、TiO2、和Al2O3，预先混合4小时，加入La2O3，并且用玻珠研磨机在环流处理中混合并研磨。当粒径为1.5μm或更低时，将材料粉末进一步进行一次通过(one-pass)处理，然后使用喷雾干燥器进行干燥。
将喷雾干燥的粉末在1250℃下煅烧4小时，从而合成(Ca，La)(Ti，Al)O3固溶体。该合成粉末用玻珠研磨机研磨以使其适合于用作填料。在研碎条件下，以2∶1的比例加入固溶体和水，从而调整浆料的浓度。该浆料被添加有0.5wt％的分散剂后进行研磨。浆料的粘度在研磨颗粒的过程中增加，此时进一步加入1wt％的分散剂。
在研磨过程中，每间隔1小时测量粒径分布。当平均粒径降低为1μm或更小的时候，停止环流处理，然后将粉末材料进一步进行一次通过处理，从而将最终粒径调整为0.9μm或更小，然后喷雾干燥，从而制备填料。
为了评价由此制备的填料的电特性，向该研磨后的粉末中加入2～3wt％的有机材料，包括PVA粘结剂，以制备粒状粉末，然后用具有内径为15mm的圆柱形金属模具将该粒状粉末在1吨/cm2的压力下进行模制。将该模制产品在650℃下热处理1小时，以去除其中的有机物质，然后在1450℃下烧结3小时。通过Hakki-Colemann法用网络分析仪(HP8510A)测定该烧结产物的介电常数和Q值。其结果在下表1中示出。
表1
  (1-x)(CaTiO3)·x(LaAlO3)   介电常数(εr)   Q×f0 1)
  x＝0.01   170   10,000
  x＝0.1   90   15,000
  x＝0.2   60   20,000
1)Q是品质因数的缩写形式，并且等于耗散因数的倒数，以及f0是频率。
测量每种烧结产物的TCC，结果示于图5中。
实施例1
为了制备高频用绝缘膜，以5∶95的重量比称量芳香族液晶聚酯和四氟苯酚，加热到120℃，用搅拌器完全溶解，分别加入在制备例1中获得的20vol％、30vol％、和40vol％的CTLA粉末(x＝0.01，0.1，0.2)，加入1wt％或更少的分散剂，然后用球磨机或Visco研磨机进行分散处理，从而制备浆料。将该浆料进行消泡处理，用带式连铸机施加在铜箔上，并且干燥，由此形成厚度为30μm的薄片，从而制备RCC(涂树脂铜箔)薄片。
为了测量RCC薄片的介电性能，在最大为300℃的温度下用高温V压力机对RCC和铜箔进行层压，从而在绝缘薄片的两个表面上都形成电极。
绝缘薄片的介电常数取决于填料的量，这已在图6中描述。在下表2中示出在1GHz下包含30vol％的填料的RCC的损失值。不是由于粉末的化学组分，而是由于其分散程度使得这样测得的值显著变化，该值低至0.01或更低。
表2
  CTLA固溶体比率(x)   0.01   0.1   0.2
  耗散因数   0.005   0.008   0.006
而且，在1Vrms的振荡电压和1MHz的频率的条件下测定实施例1中使用的芳香族聚酯树脂(LCP)、CTLA填料粉末(其中x为0.2)、以及如上制备的RCC的TCC。结果示于图7中。
如从图7中显而易见，可以看出LCP在-55℃～125℃的温度范围内的TCC范围为-260ppm/℃～+800ppm/℃，但在同样的测定条件下当加入CTLA填料时，会降低到-26ppm/℃～+260ppm/℃。这样，可以看出，使用与树脂的情况相反的具有相当大的TCC的填料，可以将TCC范围降低到传统的电容器的范围。
尽管关于PCB用绝缘材料的本发明的优选具体实施方式已经以说明为目的地进行了披露，但是本领域技术人员应当理解，在本发明的技术精神范围内可以进行各种修改、增加以及替换。
如上所述，本发明提供一种PCB用绝缘材料，根据本发明，该绝缘材料与传统的PCB用绝缘材料相比，介电常数根据温度变化而具有更小的变化，并且可以被用作阻抗匹配被视为很重要的电路中的绝缘层。在这种情况下，可以将由于介电常数根据温度变化而变化地造成的阻抗不匹配最小化，并且与用传统的材料制备PCB的情况相比，也可以减小由此产生的信号损失。而且，当将高频部件，例如过滤器，形成在衬底中时，可以减小带宽随温度而产生的变化，从而可替换SMT无源器件。
同样，在其中将本发明的绝缘材料用作用于嵌入当前安装在PCT上来实现阻抗匹配的、具有C特性的电容器的材料的情况下，与当被提供了传统的电容器时相比，可以有利地降低无源电感。
简单的修改、增加和替换都将落入如所附权利要求书中所定义的本发明范围内。

Claims (6)

1.一种印刷电路板用绝缘材料，包括液晶聚酯树脂和陶瓷粉末，从而在-55℃～125℃的温度范围内具有的电容温度系数在-300ppm/℃至+300ppm/℃的范围内，并且介电常数为5至40。
2.根据权利要求1所述的绝缘材料，其中，所述绝缘材料具有的耗散因数为0.01或更低。
3.根据权利要求1所述的绝缘材料，其中，所述陶瓷粉末具有的化学组分为(1-x)(CaTiO3)·x(LaAlO3)，其中，x＝0.001～0.5。
4.根据权利要求1所述的绝缘材料，其中，所述陶瓷粉末以10vol％至50vol％的量包含在所述绝缘材料中。
5.根据权利要求1所述的绝缘材料，其中，所述陶瓷粉末具有的平均粒径为0.1μm至5μm。
6.根据权利要求1所述的绝缘材料，其中，所述液晶聚酯树脂是芳香族液晶聚酯树脂。
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