CN110606761A - 高热稳定、高尺寸稳定微波复合介质基板及制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种具有高热稳定、高尺寸稳定微波复合介质基板及制备工艺，各种原材料的质量分数配比为:40‑80 wt%的无机填料粉末、1‑10 wt%的石英纤维、10‑55 wt%的含氟树脂聚合物体系；制备方法：过筛石英纤维；改性处理石英纤维；改性处理无机填料粉末；石英纤维用表面活性剂溶液分散，处理后的原料混合搅拌、絮凝、沉降、过滤、烘干、等静压成型、双面覆铜箔、烧结、热处理。产品性能优良，制备工艺简单，环境友好，原料来源方便，有利于实现工业化生产。

Description

高热稳定、高尺寸稳定微波复合介质基板及制备方法
技术领域
本发明涉及微波复合介质基板技术领域，特别涉及一种具有高热稳定、高尺寸稳定微波复合介质基板及制备工艺。
背景技术
随着电子工业技术的迅速发展，一般性能的覆铜板产品已不能满足近年来高速发展的电子安装高密度互联的需求，而具有高性能的微波复合介质基板近年来得到了很大的发展。
目前，随着电子产品向小型化、数字化、多功能化和高可靠性化的发展方向，作为电子元器件主要载体的覆铜板，其集成度越来越高、线路布置越来越精细，工作运行时产生的热量也随之增大，这就对电路基板的热稳定性和尺寸稳定性提出了更高的要求。因此，作为元器件载体的微波复合介质基板，要保证信号的快速稳定传输，不仅要具有较低的介电损耗、均一的介电常数，还需要具有较低的介电常数热变化率，以及较小的热膨胀系数和尺寸稳定性，以保障板材加工可靠性和使用的稳定性。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种高热稳定、高尺寸稳定微波复合介质基板及制备方法，该微波复合介质基板原料广泛，操作工艺简单，环境友好，易于规模化批量生产，应用领域广阔，具有良好的市场前景。
本发明的技术方案是一种高热稳定、高尺寸稳定微波复合介质基板，其特征在于：各种原材料的质量分数配比为:40-80 wt%的无机填料粉末、1-10 wt%的石英纤维、10-55wt%的含氟树脂聚合物体系。
一种高热稳定、高尺寸稳定微波复合介质基板的制备方法，其特征在于：无机填料粉末和石英纤维配方质量总和的0.1-5.0 wt%的偶联剂、石英纤维配方质量的0.1-1.5 wt%的表面活性剂以及无机填料粉末质量的0.1-2.0 wt%的絮凝剂以及适量的甲酸、无水乙醇和去离子水；
包括如下步骤：
① 将石英纤维过筛得到100-300 目筛网中的短切石英纤维；
② 将不同长度的短切石英纤维分别用偶联剂进行表面改性处理：先将石英纤维配方质量的0.1-5.0 wt%的偶联剂溶解于无水乙醇溶液中，偶联剂与无水乙醇的体积比为1:2-1:8，搅拌速度120-180r/min，搅拌20-60 min，搅拌至偶联剂完全溶解，分别倒入几个不同的反应釜中，将不同长度的石英纤维分别加入并浸没于盛有偶联剂的乙醇溶液的反应釜中，置于超声机中40-80 ℃超声处理30-180 min，处理完毕后将反应釜里改性后的石英纤维倒在滤布中滤掉多余溶液，置于85-125 ℃烘箱中干燥处理2-10 h；
③ 将无机填料粉末用偶联剂进行表面改性处理：先将甲酸溶解于无水乙醇中，甲酸与无水乙醇的体积比为1:2-1:10；再将无机填料粉末配方质量的0.1-5.0 wt%的偶联剂溶解于甲酸-无水乙醇溶液中，偶联剂与甲酸-无水乙醇溶液的体积比为1:2-1:8，搅拌速度120-180r/min，搅拌20-60 min，至偶联剂完全溶解，制备成偶联剂混合液；再将称量好的无机填料粉末倒入偶联剂混合液液中，在35-65℃、搅拌速度150-250r/min条件下，搅拌60-180min，最后将改性好的无机填料粉末在65-125 ℃烘箱中干燥处理2-10 h；
④ 将表面活性剂加入一定量的去离子水中搅拌，搅拌速度100-180r/min，搅拌20-60min，将表面活性剂充分溶解，然后加入改性处理后的短切石英纤维，为防止石英纤维团聚分批次加入，在30-80 ℃、搅拌速度120-250r/min条件下充分搅拌30-180 min，去离子水的用量以可以浸没短切石英纤维并使短切石英纤维均匀分散在去离子水中为宜，制成短切石英纤维表面活性剂混合液；
⑤ 将含氟树脂聚合物、改性处理后的无机填料粉末、短切石英纤维表面活性剂混合液，依次加入反应釜，在30-80 ℃、搅拌速度100-250r/min条件下充分搅拌60-240 min；
⑥ 在⑤得到的复合物体系中加入无机填料粉末配方质量0.1-2.0 wt%的絮凝剂，使复合物体系中的固体组分沉降下来，抽去水分，得到沉降下来的复合物，置于90-130 ℃烘箱中干燥处理2-10 h；
⑦ 将⑥得到的复合物粉料采用等静压的方式成型：即先将粉料包封在模具内，密封后放入等静压设备的高压缸内，通过温度50-150 ℃、升压时间2-10min到最大压力1-30 MPa，保压10-60min，然后在2-20min内卸去压力，取出模具，得到生基片；
⑧ 将⑦得到的生基片双面覆铜箔，在温度80-390 ℃、压力4-20 MPa下热压烧结120-240 min得到微波复合介质基板；
⑨ 将⑧得到微波复合介质基板在温度80-250 ℃、压力2-10 MPa下热处理60-240 min得到高热稳定、高尺寸稳定微波复合介质基板产品；
其中，所述的偶联剂选自硅烷偶联剂、钛酸酯偶联剂、锆酸酯偶联剂中的一种或几种，并至少包含硅烷偶联剂，用量是无机填料粉末和石英纤维配方质量总和的0.1-5.0 wt%；所述的表面活性剂选自聚乙二醇月桂酸酯、聚羟基月桂酸酯、聚羟基丙基月桂酸酯中的一种或几种，用量是石英纤维配方质量的0.1-1.5wt%。
本发明的有益效果:
本发明制作的高热稳定、高尺寸稳定微波复合介质基板相对介电常数为2.5-4.5，介质损耗小于1.0×10-3，相对介电常数温度系数在-15ppm/℃至15 ppm/℃之间，热膨胀系数小于24 ppm/℃，尺寸稳定性小于0.3mm/m，符合低介质损耗、均一相对介电常数、低相对介电常数温度系数以及较小的热膨胀系数和尺寸稳定性好的要求，制备工艺简单，环境友好，原料来源方便，有利于实现工业化生产。
由于本发明产品的制备过程中加入了短切石英纤维，可以有效改善基板材料的力学性能，同时采用等静压成型工艺，提高材料致密度和均匀性，降低内应力，有效减少缺陷，使基板材料具有良好的综合性能，具有高温使用时低的介电常数热变化率，与铜箔相吻合的热膨胀系数，良好的受热尺寸稳定性和一致的介电常数，保证了本发明所得的微波复合介质基板具有稳定的电气和机械性能，在板材加工和应用方面可靠性高，优势明显。
本发明可广泛应用于通讯、雷达、卫星、高铁、飞机以及高尖端武器装备等高科技领域，具有广泛的应用前景。
具体实施方式
一种高热稳定、高尺寸稳定微波复合介质基板，其特征在于：各种原材料的质量分数配比为:40-80 wt%的无机填料粉末、1-10 wt%的石英纤维、10-55 wt%的含氟树脂聚合物体系。
所述的无机填料选自二氧化硅粉末、氧化铝粉末、氧化锌粉末、氧化镁粉末、硫酸钙粉末、氮化硼粉末的一种或几种，并至少包含二氧化硅粉末，粉体粒径D50为10-20 μm。
所述的含氟树脂聚合物体系选自聚四氟乙烯、乙烯-四氟乙烯共聚物、乙烯-三氟氯乙烯共聚物中的一种或几种，并至少包含聚四氟乙烯。
具体实施例
高热稳定、高尺寸稳定微波复合介质基板，各种原材料的质量分数配比为：
无机填料粉末：56 wt%的二氧化硅粉末、5 wt%的氧化铝粉末、5 wt%的氧化锌粉末；
石英纤维：4.0 wt%的石英纤维；
含氟树脂聚合物体系：25 wt%的聚四氟乙烯、5 wt%乙烯-四氟乙烯共聚物；
高热稳定、高尺寸稳定微波复合介质基板的制备方法如下：首先按各种原材料的质量分数配比称取各种原料，其次按比例称取以下助剂：无机填料粉末和石英纤维配方质量总和的3.0 wt%的硅烷偶联剂作偶联剂；石英纤维配方质量的1.0 wt%的乙二醇月桂酸酯作表面活性剂；无机填料粉末配方质量的0.5 wt%的絮凝剂以及适量的甲酸、无水乙醇和去离子水；
制备步骤：
① 将石英纤维过筛得到100-300 目筛网中的短切石英纤维；
② 将不同长度的短切石英纤维分别用偶联剂进行表面改性处理：先将石英纤维配方质量的3.0 wt%的偶联剂溶解于无水乙醇溶液中，偶联剂与无水乙醇的体积比为1:2-1:8，搅拌速度120-180r/min，搅拌20-60 min，搅拌至偶联剂完全溶解，分别倒入几个不同的反应釜中，将不同长度的石英纤维分别加入并浸没于盛有偶联剂的乙醇溶液的反应釜中，置于超声机中40-80 ℃超声处理30-180 min，处理完毕后将反应釜里改性后的石英纤维倒在滤布中滤掉多余溶液，置于85-125 ℃烘箱中干燥处理2-10 h；
③ 将无机填料粉末用偶联剂进行表面改性处理：先将甲酸溶解于无水乙醇中，甲酸与无水乙醇的体积比为1:2-1:10；再将无机填料粉末配方质量的3.0 wt%的偶联剂溶解于甲酸-无水乙醇溶液中，偶联剂与甲酸-无水乙醇溶液的体积比为1:2-1:8，搅拌速度120-180r/min，搅拌20-60 min，至偶联剂完全溶解，制备成偶联剂混合液；再将称量好的无机填料粉末倒入偶联剂混合液液中，在35-65℃、搅拌速度150-250r/min条件下，搅拌60-180min，最后将改性好的无机填料粉末在65-125 ℃烘箱中干燥处理2-10 h；
④ 将表面活性剂加入一定量的去离子水中搅拌，搅拌速度100-180r/min，搅拌20-60min，将表面活性剂充分溶解，然后加入改性处理后的短切石英纤维，为防止石英纤维团聚分批次加入，在30-80 ℃、搅拌速度120-250r/min条件下充分搅拌30-180 min，去离子水的用量以可以浸没短切石英纤维并使短切石英纤维均匀分散在去离子水中为宜，制成短切石英纤维表面活性剂混合液；
⑤ 将含氟树脂聚合物、改性处理后的无机填料粉末、短切石英纤维表面活性剂混合液，依次加入反应釜，在30-80 ℃、搅拌速度100-250r/min条件下充分搅拌60-240 min；
⑥ 在⑤得到的复合物体系中加入无机填料粉末配方质量的0.5 wt%质量的絮凝剂，使复合物体系中的固体组分沉降下来，抽去水分，得到沉降下来的复合物，置于90-130 ℃烘箱中干燥处理2-10 h；
⑦ 将⑥得到的复合物粉料采用等静压的方式成型：即先将粉料包封在模具内，密封后放入等静压设备的高压缸内，通过温度50-150 ℃、升压时间2-10min到最大压力1-30 MPa，保压10-60min，然后在2-20min内卸去压力，取出模具，得到生基片；
⑧ 将⑦得到的生基片双面覆铜箔，在温度80-390 ℃、压力4-20 MPa下热压烧结120-240 min得到微波复合介质基板；
⑨ 将⑧得到微波复合介质基板在温度80-250 ℃、压力2-10 MPa下热处理60-240 min得到高热稳定、高尺寸稳定微波复合介质基板产品。
本发明的产品相对介电常数为3.00±0.02，介质损耗为8×10-4，相对介电常数温度系数-10 ppm/℃，X/Y/Z三轴热膨胀系数15/15/22 ppm/℃，尺寸稳定性0.25mm/m，符合低介质损耗、均一相对介电常数、低相对介电常数温度系数以及较小的热膨胀系数和尺寸稳定性好的要求，制备工艺简单，环境友好，原料来源方便，有利于实现工业化生产。

Claims (5)

1.一种高热稳定、高尺寸稳定微波复合介质基板，其特征在于：各种原材料的质量分数配比为:40-80 wt%的无机填料粉末、1-10 wt%的石英纤维、10-55 wt%的含氟树脂聚合物体系。
2.如权利要求1所述的高热稳定、高尺寸稳定微波复合介质基板，其特征在于：所述的无机填料粉末选自二氧化硅粉末、氧化铝粉末、氧化锌粉末、氧化镁粉末、硫酸钙粉末、氮化硼粉末的一种或几种，并至少包含二氧化硅粉末，粉体粒径D50为10-20 μm。
3.如权利要求1所述的高热稳定、高尺寸稳定微波复合介质基板，其特征在于：所述的含氟树脂聚合物体系选自聚四氟乙烯、乙烯-四氟乙烯共聚物、乙烯-三氟氯乙烯共聚物中的一种或几种，并至少包含聚四氟乙烯。
4.如权利要求1至3任一所述的高热稳定、高尺寸稳定微波复合介质基板，其特征在于：各种原材料的质量分数配比：56 wt%的二氧化硅粉末、5 wt%的氧化铝粉末、5 wt%的氧化锌粉末、4.0 wt%的石英纤维、25 wt%的聚四氟乙烯、5 wt%乙烯-四氟乙烯共聚物。
5.一种采用权利要求1所述的一种高热稳定、高尺寸稳定微波复合介质基板的制备方法，其特征在于：首先按各种原材料的质量分数配比称取各种原料，其次按比例称取以下助剂：无机填料粉末和石英纤维配方质量总和的0.1-5.0 wt%的偶联剂、石英纤维配方质量的0.1-1.5 wt%的表面活性剂以及无机填料粉末质量的0.1-2.0 wt%的絮凝剂以及适量的甲酸、无水乙醇和去离子水；
包括如下步骤：
① 将石英纤维过筛得到100-300 目筛网中的短切石英纤维；
② 将不同长度的短切石英纤维分别用偶联剂进行表面改性处理：先将石英纤维配方质量的0.1-5.0 wt%的偶联剂溶解于无水乙醇溶液中，偶联剂与无水乙醇的体积比为1:2-1:8，搅拌速度120-180r/min，搅拌20-60 min，搅拌至偶联剂完全溶解，分别倒入几个不同的反应釜中，将不同长度的石英纤维分别加入并浸没于盛有偶联剂的乙醇溶液的反应釜中，置于超声机中40-80 ℃超声处理30-180 min，处理完毕后将反应釜里改性后的石英纤维倒在滤布中滤掉多余溶液，置于85-125 ℃烘箱中干燥处理2-10 h；
③ 将无机填料粉末用偶联剂进行表面改性处理：先将甲酸溶解于无水乙醇中，甲酸与无水乙醇的体积比为1:2-1:10；再将无机填料粉末配方质量的0.1-5.0 wt%的偶联剂溶解于甲酸-无水乙醇溶液中，偶联剂与甲酸-无水乙醇溶液的体积比为1:2-1:8，搅拌速度120-180r/min，搅拌20-60 min，至偶联剂完全溶解，制备成偶联剂混合液；再将称量好的无机填料粉末倒入偶联剂混合液液中，在35-65℃、搅拌速度150-250r/min条件下，搅拌60-180min，最后将改性好的无机填料粉末在65-125 ℃烘箱中干燥处理2-10 h；
④ 将表面活性剂加入一定量的去离子水中搅拌，搅拌速度100-180r/min，搅拌20-60min，将表面活性剂充分溶解，然后加入改性处理后的短切石英纤维，为防止石英纤维团聚分批次加入，在30-80 ℃、搅拌速度120-250r/min条件下充分搅拌30-180 min，去离子水的用量以可以浸没短切石英纤维并使短切石英纤维均匀分散在去离子水中为宜，制成短切石英纤维表面活性剂混合液；
⑤ 将含氟树脂聚合物、改性处理后的无机填料粉末、短切石英纤维表面活性剂混合液，依次加入反应釜，在30-80 ℃、搅拌速度100-250r/min条件下充分搅拌60-240 min；
⑥ 在⑤得到的复合物体系中加入无机填料粉末配方质量的0.1-2.0 wt%的絮凝剂，使复合物体系中的固体组分沉降下来，抽去水分，得到沉降下来的复合物，置于90-130 ℃烘箱中干燥处理2-10 h；
⑦ 将⑥得到的复合物粉料采用等静压的方式成型：即先将粉料包封在模具内，密封后放入等静压设备的高压缸内，通过温度50-150 ℃、升压时间2-10min到最大压力1-30 MPa，保压10-60min，然后在2-20min内卸去压力，取出模具，得到生基片；
⑧ 将⑦得到的生基片双面覆铜箔，在温度80-390 ℃、压力4-20 MPa下热压烧结120-240 min得到微波复合介质基板；
⑨ 将⑧得到微波复合介质基板在温度80-250 ℃、压力2-10 MPa下热处理60-240 min得到高热稳定、高尺寸稳定微波复合介质基板产品；
其中，所述的偶联剂选自硅烷偶联剂、钛酸酯偶联剂、锆酸酯偶联剂中的一种或几种，并至少包含硅烷偶联剂，用量是无机填料粉末以及石英纤维配方质量总和的0.1-5.0 wt%；所述的表面活性剂选自聚乙二醇月桂酸酯、聚羟基月桂酸酯、聚羟基丙基月桂酸酯中的一种或几种，用量是石英纤维配方质量的0.1-1.5wt%。
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