CN103030928B - 一种超材料介质基板及其加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种超材料介质基板及其加工方法，包括以下步骤：101.制备介孔二氧化硅；102.制备介孔二氧化硅-金属氧化物-环氧树脂复合材料；103.将上述复合材料热压成超材料介质基板。通过应用本发明的超材料介质基板及其加工方法，将低介电常数的有机高分子材料和多孔材料与高介电常数的金属氧化物制成复合材料，将复合材料热压制成超材料的介质基板，扩大了超材料介质基板介电常数的选择范围，增强了介质基板的机械性能，符合现代封装材料基板的要求，具有良好的开发与应用前景。

Description

一种超材料介质基板及其加工方法

【技术领域】

本发明涉及超材料领域，具体地涉及一种超材料介质基板及其加工方法。

【背景技术】

超材料一般由多个超材料功能板层叠或按其他规律阵列组合而成，超材料功能板包括介质基板以及阵列在介质基板上的多个人造微结构，现有超材料的介质基板为均一材质的有机或无机基板，如FR4、TP1等等。阵列在介质基板上的多个人造微结构具有特定的电磁特性，能对电场或磁场产生电磁响应，通过对人造微结构的结构和排列规律进行精确设计和控制，可以使超材料呈现出各种一般材料所不具有的电磁特性，如能汇聚、发散和偏折电磁波等。

环氧树脂是泛指分子中含有两个或两个以上环氧基团的有机高分子化合物，环氧树脂具有很强的内聚力，分子结构致密，所以它的力学性能较高，介电性能良好，并且它的制品尺寸稳定性好，硬度高，柔韧性较好，对碱及大部分溶剂稳定，广泛应用于社会生产、生活中。目前已经商品化的高频基板主要有三大类：聚四氟乙烯(PTFE)基板、热固性聚苯醚(PolyphenylOxide)、交链聚丁二烯基板和环氧树脂复合基板(FR-4)。其中聚四氟乙烯基板的介电常数为2.1-10.6，而环氧树脂复合基板的介电常数为4.2-5.4。

介孔材料由于其特殊的孔道结构以及较高的比表面积和热稳定性，在催化、分离等领域有着广泛的应用，介孔材料的研究已经成为国际上跨物理、化学、材料、生物及信息等众多学科领域的研究热点和研究前沿之一。近年来，学界对介孔材料的研究给予极大的关注，尤其是对硅系介孔材料进行了更深入的研究。根据现有研究成果发现，二氧化硅制成的介孔二氧化硅薄膜具有特殊的尺寸效应，可以在传感器、低介电常数夹层、曾透膜、多层膜及光学材料等方面拥有巨大的应用前景。

现代电子技术迅猛发展，数字电路的处理、传输进入高频化阶段，此时基板性能的好坏将对电路特性产生重要影响，其中介电性能、耐热性、尺寸稳定性、耐湿性等几项指标尤为重要，而基板的性能优劣主要取决于所使用的基板材料，因此选择高性能的基板材料是制备高性能基板的必要条件。

金属氧化物陶瓷基板作为集成电路理想的基板材料，存在着成本高，高温下难以致密烧结，生产中的重复性等问题。传统制备基板的树脂多采用酚醛树脂和环氧树脂，目前使用最广泛的是玻璃纤维增强的环氧树脂FR-4，这种材料由于制造成本较低使得性价比较高，在低频电子产品中有较好的应用，但在高频电路中，因其介电性能较低、耐高温性能较弱、机械性能较差不适用于高频电路中，因此，可以采用合成复合材料的方法制备符合超材料封装工艺要求的高品质基板。

【发明内容】

本发明所要解决的技术问题是提供一种超材料的介质基板及其加工方法，通过此方法加工的介质基板的介电常数选择范围较宽，具有较好的机械性能，拥有良好的开发与应用前景。

本发明实现发明目的首先提供一种超材料的介质基板及其加工方法，包括以下步骤：

101.制备介孔二氧化硅；

102.制备介孔二氧化硅-金属氧化物-环氧树脂复合材料；

103.将上述复合材料热压成超材料介质基板。

步骤101中介孔二氧化硅粉末的制备，采用以下方法：

1011.将盐酸溶液与聚氧乙烯-聚氧丙烯-聚氧乙烯三嵌段共聚物置于四口烧瓶中，加热搅拌均匀；

1012.将正硅酸乙酯加热搅拌均匀，缓慢注入上述悬浮液中；

1013.将溶液静置后放入水热反应釜中晶化，将晶化的沉淀过滤、洗涤、干燥后置于马沸炉内煅烧，得到介孔二氧化硅。

作为优选的实施方式，所述步骤1011中，所述盐酸溶液的浓度控制在1-5mol/L。

作为优选的实施方式，所述步骤1013中，所述晶化温度控制在90-120℃，晶化时间控制在20-30h。

作为优选的实施方式，所述步骤1013中，所述煅烧温度控制在450-650℃，煅烧时间控制在5-10h。

步骤102中，制备介孔二氧化硅-金属氧化物-环氧树脂复合材料包括以下步骤：

1021.将介孔二氧化硅、金属氧化物的醋酸盐置于溶剂中搅拌均匀，除去溶剂后煅烧得到介孔二氧化硅、金属氧化物粉末；

1022.将介孔二氧化硅、金属氧化物的粉末疏水改性，将介孔二氧化硅、金属氧化物粉末置于烧杯中，加入硅烷偶联剂、乙醇，用超声波分散后加热搅拌均匀，离心、洗涤后得到改性后的介孔二氧化硅、金属氧化物粉末；

1023.将烧杯置于搅拌器上，加入甲基六氢苯酐、环氧树脂并加热，边搅拌边加入改性后的介孔二氧化硅和金属氧化物粉末形成悬浮液，除去溶剂得到介孔二氧化硅-金属氧化物-环氧树脂复合材料。

作为优选的实施方式，所述步骤1021中，介孔二氧化硅与金属氧化物的醋酸盐加入量的质量比为10-50∶90-50。

作为优选的实施方式，所述步骤1021中，所述溶剂为乙醇或丙酮。

作为优选的实施方式，所述步骤1021中，所述煅烧温度控制在500-530℃，煅烧时间控制在3-6h。

作为优选的实施方式，所述步骤1022中，所述硅烷偶联剂为γ-氨丙基三乙氧基硅烷或γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷，加入硅烷偶联剂的质量比为0.1％-1.2％。

作为优选的实施方式，所述步骤1023中，所述甲基六氢苯酐的加入量为环氧树脂加入量的1wt％-45wt％。

作为优选的实施方式，所述步骤1023中，介孔二氧化硅和金属氧化物粉末与环氧树脂加入量的质量比为60-80∶40-20。

作为优选的实施方式，所述步骤103中，所述热压的温度为50-360℃，热压的压力为10-50MPa。

一种超材料介质基板，由改性后的介孔二氧化硅和金属氧化物与环氧树脂复合而成，所述改性后的介孔二氧化硅和金属氧化物粉末与环氧树脂的质量比为60-80∶40-20。

应用本发明的加工方法将介孔二氧化硅、环氧树脂、金属氧化物制成复合材料，热压成介质基板，介孔二氧化硅与环氧树脂的介电常数较低，耐热性好，添加金属氧化物后，大大增强了复合材料的机械性能，金属氧化物添加的量不同，可以获得一系列介电常数范围较宽的新型复合材料，适于大规模工业生产。

【附图说明】

图1，超材料介质基板加工方法流程图。

图2，介孔二氧化硅制备流程图。

图3，介孔二氧化硅-金属氧化物-环氧树脂复合材料制备流程图。

【具体实施方式】

下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。

本发明是将有机高分子材料环氧树脂、多孔材料介孔二氧化硅及金属氧化物制成复合材料，再将复合材料制成超材料介质基板。金属氧化物陶瓷基板具有机械强度高、绝缘性、避光性好等优越的性能，但金属氧化物陶瓷制备过程中需要很高的烧结温度，不容易实现，本发明将介孔二氧化硅与金属氧化物复合，可以降低金属氧化物陶瓷的烧结温度，添加了介孔二氧化硅还起到二相增韧、提高基板强度和致密度的作用。将低介电常数的介孔二氧化硅、环氧树脂与金属氧化物复合，通过控制金属氧化物的加入量能够使介质基板介电常数的选择范围更宽。

实施例1

制备介孔二氧化硅，包括以下步骤，

1011.将160ml浓度为2mol/L盐酸溶液与4g聚氧乙烯-聚氧丙烯-聚氧乙烯三嵌段共聚物置于四口烧瓶中，加热至40℃，搅拌1.5h，形成无色透明溶液；

1012.将8.5g正硅酸乙酯加热至40℃，搅拌1.5h，缓慢注入上述悬浮液中；

1013.将溶液静置24h后放入水热反应釜中晶化，晶化温度控制在110℃将晶化的沉淀过滤、洗涤、干燥后置于马沸炉内煅烧，将马沸炉内温度控制在500℃，煅烧时间控制在6h，即可得到介孔二氧化硅。

制备介孔二氧化硅-金属氧化物-环氧树脂复合材料，包括以下步骤，

1021.将1g介孔二氧化硅、1g醋酸铝置于100ml乙醇中搅拌均匀，除去溶剂后置于马沸炉内煅烧，煅烧温度为500℃，煅烧时间5h，得到介孔二氧化硅、金属氧化物粉末；

1022.将介孔二氧化硅、金属氧化物的粉末疏水改性，将上述介孔二氧化硅、金属氧化物粉末置于烧杯中，加入0.02gKH-570和100ml乙醇，用超声波分散10min后加热至40℃，放在磁力搅拌器上搅拌2h，用乙醇作为清洗剂离心、洗涤4次，得到改性后的介孔二氧化硅与金属氧化物粉末；

1023.将烧杯置于搅拌器上，加入100ml甲基六氢苯酐、0.5g双酚A型环氧树脂并加热至80℃，边搅拌边加入改性后的介孔二氧化硅和金属氧化物粉末形成悬浮液，除去溶剂得到介孔二氧化硅-金属氧化物-环氧树脂复合材料。

103.将除去溶剂的混合物置于模具中，热压形成超材料介质基板，热压温度为180℃，热压压力为45MPa。

应当理解，本实施例中，热压的温度和压力是根据所选的环氧树脂的种类来确定的。

实施例2

制备介孔二氧化硅，包括以下步骤，

1011.将160ml浓度为2mol/L盐酸溶液与4g聚氧乙烯-聚氧丙烯-聚氧乙烯三嵌段共聚物置于四口烧瓶中，加热至40℃，搅拌1.5h，形成无色透明溶液；

1012.将8.5g正硅酸乙酯加热至40℃，搅拌1.5h，缓慢注入上述悬浮液中；

1013.将溶液静置24h后放入水热反应釜中晶化，晶化温度控制在110℃将晶化的沉淀过滤、洗涤、干燥后置于马沸炉内煅烧，将马沸炉内温度控制在500℃，煅烧时间控制在6h，即可得到介孔二氧化硅。

制备介孔二氧化硅-金属氧化物-环氧树脂复合材料，包括以下步骤，

1021.将1g介孔二氧化硅、2g醋酸锌置于100ml乙醇中搅拌均匀，除去溶剂后置于马沸炉内煅烧，煅烧温度为500℃，煅烧时间5h，得到介孔二氧化硅、金属氧化物粉末；

1022.将介孔二氧化硅、金属氧化物的粉末疏水改性，将上述介孔二氧化硅、金属氧化物粉末置于烧杯中，加入0.03gKH-570和100ml乙醇，用超声波分散10min后加热至40℃，放在磁力搅拌器上搅拌2h，用乙醇作为清洗剂离心、洗涤4次，得到改性后的介孔二氧化硅与金属氧化物粉末；

1023.将烧杯置于搅拌器上，加入100ml甲基六氢苯酐、0.5g双酚A型环氧树脂并加热至80℃，边搅拌边加入改性后的介孔二氧化硅和金属氧化物粉末形成悬浮液，除去溶剂得到介孔二氧化硅-金属氧化物-环氧树脂复合材料。

103.将除去溶剂的混合物置于模具中，热压形成超材料介质基板，热压温度为180℃，热压压力为45MPa。

本发明中的上述实施例仅作了示范性描述，本领域技术人员在阅读本专利申请后可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下对本发明进行各种修改。

Claims (12)

1.一种超材料介质基板的加工方法，其特征在于，包括以下步骤：

101.制备介孔二氧化硅；

102.制备介孔二氧化硅-金属氧化物-环氧树脂复合材料，包括以下步骤：

1021.将介孔二氧化硅、金属氧化物的醋酸盐置于溶剂中搅拌均匀，除去溶剂后煅烧得到介孔二氧化硅、金属氧化物粉末；

1022.将介孔二氧化硅、金属氧化物的粉末疏水改性，将介孔二氧化硅、金属氧化物粉末置于烧杯中，加入硅烷偶联剂、乙醇，用超声波分散后加热搅拌均匀，离心、洗涤后得到改性后的介孔二氧化硅、金属氧化物粉末；

1023.将烧杯置于搅拌器上，加入甲基六氢苯酐、环氧树脂并加热，边搅拌边加入改性后的介孔二氧化硅和金属氧化物粉末形成悬浮液，除去溶剂得到介孔二氧化硅-金属氧化物-环氧树脂复合材料；

103.将上述复合材料热压成超材料介质基板。

2.根据权利要求1所述的超材料介质基板的加工方法，其特征在于，所述步骤101中，所述制备介孔二氧化硅包括以下步骤：

1011.将盐酸溶液与聚氧乙烯-聚氧丙烯-聚氧乙烯三嵌段共聚物置于四口烧瓶中，加热搅拌均匀；

1012.将正硅酸乙酯加热搅拌均匀，缓慢注入上述悬浮液中；

1013.将溶液静置后放入水热反应釜中晶化，将晶化的沉淀过滤、洗涤、干燥后置于马沸炉内煅烧，得到介孔二氧化硅。

3.根据权利要求2所述的超材料介质基板的加工方法，其特征在于，所述步骤1011中，所述盐酸溶液的浓度控制在1-5mol/L。

4.根据权利要求2所述的超材料介质基板的加工方法，其特征在于，所述步骤1013中，所述晶化温度控制在90-120℃，晶化时间控制在20-30h。

5.根据权利要求2所述的超材料介质基板的加工方法，其特征在于，所述步骤1013中，所述煅烧温度控制在450-650℃，煅烧时间控制在5-10h。

6.根据权利要求1所述的超材料介质基板的加工方法，其特征在于，所述步骤1021中，介孔二氧化硅与金属氧化物的醋酸盐加入量的质量比为10-50:90-50。

7.根据权利要求1所述的超材料介质基板的加工方法，其特征在于，所述步骤1021中，所述溶剂为乙醇或丙酮。

8.根据权利要求1所述的超材料介质基板的加工方法，其特征在于，所述步骤1021中，所述煅烧温度控制在500-530℃，煅烧时间控制在3-6h。

9.根据权利要求1所述的超材料介质基板的加工方法，其特征在于，所述步骤1022中，所述硅烷偶联剂为γ―氨丙基三乙氧基硅烷或γ―甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷。

10.根据权利要求1所述的超材料介质基板的加工方法，其特征在于，所述步骤1023中，所述甲基六氢苯酐的加入量为环氧树脂加入量的1wt％-45wt％。

11.根据权利要求1所述的超材料介质基板的加工方法，其特征在于，所述步骤1023中，所述介孔二氧化硅-金属氧化物粉末与环氧树脂加入量的质量比为60-80:40-20。

12.根据权利要求1所述的超材料介质基板的加工方法，其特征在于，所述步骤103中，所述热压的温度为50-360℃，热压的压力为10-50MPa。