一種PFA 共混改性聚四氟乙烯覆銅板的制備

張志剛

（蘇州大學(xué)材料與化學(xué)化工學(xué)部，江蘇 蘇州215123）

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 覆銅板已無(wú)法完全滿足應(yīng)用需求，其逐漸被高速化、高可靠性的微波復(fù)合基板替代[1-3]。而PTFE 樹(shù)脂由于分子結(jié)構(gòu)對(duì)稱(chēng)，在電場(chǎng)中極化程度小，具有最優(yōu)異的介電性能，相對(duì)介電常數(shù)約為2.1，而介電損耗正切值只有0.0001，同時(shí)PTFE 又具備化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、吸水率的優(yōu)點(diǎn)，因此PTFE 可應(yīng)用于開(kāi)發(fā)具有良好介電性能的高頻覆銅板[4,5]。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要原材料

聚四氟乙烯分散乳液（固含量60%），PFA 分散乳液（固含量60%），三氧化二鋁填料，二氧化硅填料，6040 硅烷偶聯(lián)劑，35um電解銅箔。

1.2 主要實(shí)驗(yàn)儀器

網(wǎng)絡(luò)分析儀，型號(hào)：E5071C，美國(guó)安捷倫；剝離強(qiáng)度測(cè)試儀，ASIDA-BL32，正業(yè)科技；高溫錫爐，ASIDA-KH23，正業(yè)科技；靜態(tài)熱機(jī)械分析儀，SDTA2，美國(guó)梅特勒。

表1 PTFE 和PFA 乳液特性對(duì)比表

1.3 陶瓷聚四氟乙烯基板制備

1.3.1 膠水配制：將不同種類(lèi)的無(wú)機(jī)填料與硅烷偶聯(lián)劑進(jìn)行預(yù)處理后，再與水在高速攪拌分散的條件下，將水、填料混合物與PTFE 樹(shù)脂乳液進(jìn)行混合分散制得膠水。

1.3.2 膠片制備：將混合好的膠水通過(guò)噴涂夾頭涂覆在鋁箔上，通過(guò)水平涂覆上膠機(jī)烘烤，低溫（100-200℃）烘烤去除水份和化學(xué)品，然后經(jīng)過(guò)高溫（380-400℃）燒結(jié)，再將膠膜從鋁箔上分離，最后陶瓷聚四氟乙烯膠膜。

1.3.3 聚四氟乙烯基板制備：將銅箔、膠膜、電解銅箔從上到下依次疊配，上下加鋼板然后放入高溫壓機(jī)進(jìn)行壓合，先抽真空，壓力設(shè)定60-80kg,溫度375℃以上保持100-120mins。

1.4 性能測(cè)試

介電性能測(cè)試：按照IPC-TM-650 2.5.9 方法測(cè)試介電常數(shù)（DK）和介質(zhì)損耗因子（Df）,試樣尺寸50mm*50mm*1.0mm,數(shù)量為3 片，頻率1GH。

剝離強(qiáng)度：按照IPC-TM-650 2.4.8 方法中的實(shí)驗(yàn)條件進(jìn)行測(cè)試，試樣尺寸應(yīng)為50mm×50mm，試樣金屬箔條的寬度為3.0mm。

耐熱性測(cè)試：按照IPC-TM-650 2.4.24.1 方法進(jìn)行測(cè)試，試樣尺寸為50mm×80mm。

吸水率：按照IPC-TM-650 2.6.2.1 方法進(jìn)行測(cè)試，試驗(yàn)樣品尺寸為：50mm×50mm。

熱膨脹系數(shù)（CTE）：按照IPC-TM-650 2.4.24 方法進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試印制板或絕緣基材的Z 軸熱膨脹系數(shù)。

2 結(jié)果與討論

2.1 PFA 共混改性對(duì)聚四氟乙烯基板性能影響

PTFE 雖然具有較低的介電性能和吸水性能，優(yōu)異的耐熱性和耐化學(xué)性能，但PTFE 也有流動(dòng)性差的缺陷，在高分子聚合物領(lǐng)域中，混合改性是非常常用的一種改性方式，它能快速、直接、有效的提高復(fù)合材料的性能，弱化被改性材料的缺點(diǎn)[7,8]。PFA 是四氟乙烯（TFE）單體同3%至5%的全氟烷氧基乙烯基醚(PPVE)的共聚物。由于側(cè)鏈存在全氟烷氧基，從而降低了其結(jié)晶度，使PFA 具有可熔融加工性，流動(dòng)度高的優(yōu)點(diǎn)，其長(zhǎng)期使用溫度與PTFE 相同，均為260℃，而且其機(jī)械強(qiáng)度、耐折性?xún)?yōu)于PTFE[9,10]，具體PTFE 和PFA 的乳液性能對(duì)比見(jiàn)表1,可看出PFA 的流動(dòng)度2g/10min，而PTFE 流動(dòng)度大于g/10min。本節(jié)討論了采用PFA 共混改性PTFE 的方式。

2.2 PFA 共混改性對(duì)聚四氟乙烯基板密度的影響

從圖1 中可以看出，隨著PFA 比例增加到20%時(shí)，吸水性由0.1%驟降到0.04%，而后再加入PFA 到40%，吸水率基本不變，當(dāng)PFA 的添加比例為20%時(shí)，密度也由2.3g/cm3增加到2.3g/cm3，因?yàn)樘盍?、PTFE 之間存有較多空隙，在體系中添加PFA，因?yàn)镻FA 粒徑比PTFE 小，且PFA 的流動(dòng)性?xún)?yōu)于PTFE，通過(guò)添加PFA 可以很好的改善體系中的空隙，從而使基板的吸水率降低，當(dāng)PFA 含量增加到20%時(shí)，復(fù)合基材的吸水率較低。

圖1 PFA 共混改性對(duì)基板吸水性和密度的影響

2.3 PFA 共混改性對(duì)聚四氟乙烯基板介電性能的影響

從圖2 可以看出，經(jīng)PFA 共混改性PTFE 后，基板介電性能的變化趨勢(shì)。當(dāng)PFA 添加量從0%增加到20%時(shí)，介電常數(shù)從3.50 增大到3.53，介質(zhì)損耗從0.0019 減小到0.0017，當(dāng)添加比例從20%增加到40%時(shí)，介電常數(shù)和介質(zhì)損耗值基本不變。這張變化趨勢(shì)，應(yīng)該是因?yàn)樘砑恿烁吡鲃?dòng)性PFA 樹(shù)脂，減少了基材中的空氣，空氣的介電常數(shù)為1.0，空氣含量減少而導(dǎo)致介電常數(shù)增大，PFA 含量增加到20%時(shí)，介電性能得到明顯提升。

圖2 PFA 共混改性對(duì)基板介電性能的影響

2.4 PFA 共混改性對(duì)聚四氟乙烯基板彎曲強(qiáng)度的影響

從圖3 可以看出，PTFE 經(jīng)PFA 共混改性后，PFA 含量由0%增加到20%時(shí)，彎曲強(qiáng)度由110MPa 明顯提升到145MPa,當(dāng)含量由20%增加到40%時(shí)，彎曲強(qiáng)度的變化不太明顯，PFA 樹(shù)脂的熔點(diǎn)低，熔融粘度、分子量、樹(shù)脂粒徑比PTFE 小，在熱壓過(guò)程中，PFA 比較容易填充填料與填料之間的空隙，樹(shù)脂與填料之間的接觸面積變大，樹(shù)脂與填料之間的結(jié)合力增強(qiáng)，當(dāng)PFA 含量增加到20%時(shí)，彎曲強(qiáng)度性能得到明顯改善。

圖3 PFA 共混改性對(duì)基板彎曲強(qiáng)度的影響

2.5 PFA 共混改性對(duì)聚四氟乙烯基板剝離強(qiáng)度的影響

從圖4 可以看出，PTFE 經(jīng)PFA 共混改性后，PFA 含量由0%增加到10%時(shí)，剝離強(qiáng)度已經(jīng)明顯提升,當(dāng)含量增加到20%時(shí)，剝離強(qiáng)度值能達(dá)到1.58N/mm,再增加PFA 比例到40%，剝離強(qiáng)度基本不變，這是因?yàn)镻FA 樹(shù)脂熔融溫度較PTFE 低，且流動(dòng)度也較PTFE 大，PFA 粒徑也小，在涂覆和壓合過(guò)程中，PFA 比較容易填充填料與填料之間的空隙，使膠片表面平滑，增加了膠片與銅箔之間的結(jié)合力。

圖4 PFA 共混改性對(duì)基板剝離強(qiáng)度的影響

3 結(jié)論

PFA 因具備結(jié)晶度低，熔融溫度比PTFE 低和流動(dòng)度高的優(yōu)點(diǎn)，經(jīng)以上實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，在陶瓷聚四氟乙烯體系中添加PFA共混改性，當(dāng)PFA 添加比例為20%時(shí)，提高了樹(shù)脂體系的流動(dòng)性，降低了基材內(nèi)部測(cè)空隙，從而可以降低陶瓷聚四氟乙烯基板的吸水性、提升板材的介電性能，剝離強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度，PFA共混改性PTFE 是提升聚四氟乙烯高頻覆銅板性能的一種有效方式。