涂覆工艺制备一种高导热系数低介电常数低介电损耗的复合基板

本发明属于高频高速复合材料基板，具体涉及一种新工艺制备高导热系数低介电常数低介电损耗的复合基板。

背景技术：

1、目前，我国的5g通讯已经大面积普及，5g通信系统的完善以及对应支持的无线终端普及和各种数字微波系统的技术升级已经使得人类日常生活发生了很大的改变，在举手投足之间，人类已经和世界万物互联。微波复合介质基板材料广泛地应用于机载雷达装置、相控阵系统、遥感等机载卫星微带平面天线、北斗导航天线、便携式移动天线等领域。随着物联网和5g通信技术的快速发展，电子元器件的集成度提高，设备运行过程中会产生更多的冗余热量，这使得电子产品在使用时发热严重，从而对电路板的导热能力提出了更高的要求。为了满足实际微波电路日益增长的散热需求和高温度稳定性需求，迫切需要开发具有高导热系数和低介电常数的高频基板产品。

2、在相关的微波基板的制造中，基于高分子聚合物的基板牢牢占据着绝对的市场份额。通常聚合物与陶瓷复合基板由于其在微波波段具有出色的介电性能以及耐温性、柔韧性、易加工性等优势从而被广泛应用于电子工业中。聚合物基复合材料可根据所用基体的性质分为两类，即热固性或热塑性。热塑性基体复合材料与热固性基体复合材料相比的主要优点是无限的保质期并且不需要固化，可再加工性，以及其化学惰性和较低的吸湿性，较高的使用温度和较高的环境耐受性。根据加工的成本和难度，热固性基体复合材料最适合用于较低端应用，而热塑性复合材料是高端微波电路应用的首选。随着无线通讯市场的爆炸性增长和高速数字系统技术的发展，优异性能的热塑性材料缺口的增大引起了各个国家与科研团队的重视。在国际先进的研究中，通常采用聚四氟乙烯(ptfe)来制备复合基板，相关的聚合物材料应用还有聚苯乙烯、聚亚酰胺、聚1-2丁烯、环氧树脂等，但是都由于各种原因例如难加工，易裂纹、耐温差、无法应用在高频下等原因，限制了这类材料的大规模原因。文献报告指出聚四氟乙烯(ptfe)拥有着优异的微波介电性能，且作为聚合物材料具备良好的加工性能，同时兼具所有热塑性复合基体的特性因此是微波复合基板最热门的选材。但是，聚四氟乙烯树脂材料的导热系数较低仅为0.24w/(m·k)。

3、根据相关的文献报道在聚合物中填充高导热系数陶瓷颗粒是一种有效改进聚合物导热性能的方法，因此主流对于提升聚合物导热性能的研究多数都是填充陶瓷材料。六方氮化硼(h-bn)因其具备高导热系数以及高绝缘性，是制备高导热复合基板的理想填料。另外，由于h-bn属六方晶系，平行于c轴方向的导热系数远低于平行于c轴法线方向。因而具备取向性的h-bn会大幅度提高复合材料导热系数，而现阶段普遍通过冰模板法或者发泡辅助法来实现h-bn定向，这种复杂的工艺不仅成本高，生产效率也低。因此开发工艺简单的h-bn陶瓷的定向工艺，对于高导热系数复合基板的制备具有重要意义。

4、文献《macromolecular rapid communications enhancing thermalconductivity of hbn/sic/ptfe composites with low dielectric properties viapulse vibration molding》中为了提高聚四氟乙烯(ptfe)基复合材料的导热性，同时在高频高速应用中保持较低的介电常数和介电损耗，将六方氮化硼(h-bn)和碳化硅(sic)复合填料填充到ptfe基体中。采用脉冲振动成型(pvm)法制备了hbn/sic/ptfe复合材料，并对其后续导热性能进行了比较研究。压力波动可控的pvm工艺可以降低样品孔隙率和表面缺陷，改善h-bn的取向，导热系数比压缩成型提高44.6％。填料含量为40vol％(43wt.％)时，复合材料的面内(平行于c轴法线方向)导热系数约为4.83w/(m·k)。在介电性能方面，h-bn/sic/ptfe保持了3.27的低介电常数和0.0058的低介电损耗。

5、中国发明专利《一种轻质高导热、低介电损耗的氟树脂/h-bn复合介质材料及其制备方法》(申请号为cn201911001863.x)公开了一种以h-bn为填料，使用模压成型烧结工艺制备的h-bn/聚四氟乙烯复合基板，介电常数为2.5～3，介电损耗低于1×10-3，导热系数在3.5w/(m·k)左右，相比于纯树脂提高了10倍以上。但因为其使用的模压成型烧结，其制备的复合基板厚度相对较厚，目前随着器件小型化的趋势，我们对复合基板的要求也需要制备厚度较小的复合基板，所以模压成型烧结的工艺无法达到。同时模压成型烧结工艺的填料分布均匀性较差，故此我们使用了涂覆工艺来制备高导热系数低介电常数低介电损耗的聚四氟乙烯基复合基板。

技术实现思路

1、本发明的目的在于，针对背景技术存在的问题，提供一种简便的h-bn陶瓷定向排列方法来制备高导热系数低介电常数的复合基板。本发明使用涂覆工艺对高导热系数、低介电常数、低介电损耗的h-bn陶瓷在聚四氟乙烯(ptfe)树脂中进行定向，得到了高导热系数低介电常数低介电损耗的h-bn/ptfe基复合基板，且工艺流程简单，易于工业化生产。

2、为实现上述目的，本发明具体的操作步骤如下：

3、步骤1、以h-bn陶瓷作为原料，按照质量比粉料：锆球＝1:5的比例加入到行星式球磨罐，同时将各类助剂按比例依次加入到行星式球磨罐中，以280r/min的转速球磨1～3小时，得到分散均匀的浆料；

4、步骤2、将步骤1得到的分散均匀的浆料加入聚四氟乙烯乳液中，搅拌混合均匀，得到胶液；

5、步骤3、使用涂覆工艺将所得胶液均匀涂覆在耐高温特种玻璃板上，刮涂厚度为0.05～0.3mm；

6、步骤4、将步骤3刮涂后的样品放入聚四氟乙烯烧结炉中进行烧结；

7、步骤5、将铜箔和步骤4处理后得到的膜片裁剪后，按照“铜箔-膜片-铜箔”的顺序层叠，然后放入真空热压机热压，热压完成后得到所述复合基板。

8、本发明中，所述复合基板的组分及各组分在复合基板中所占重量份为：

9、h-bn陶瓷填料：30～50份；

10、聚四氟乙烯树脂：50～70份；

11、助剂：1-3份。

12、本发明中，所述锆球为直径1～5mm的圆形锆球，所述微波介质陶瓷粉体h-bn的粒径为10～20μm；

13、本发明中，所述聚四氟乙烯(ptfe)乳液固含量为59.9％；

14、本发明中，使用涂覆工艺对h-bn施加定向作用，以取得平行于c轴法线方向的高导热性能；

15、本发明中，刮涂后的烧结程序优选为：按5～8℃/min升温至360℃～380℃保温3h，再按2～4℃/min降至300℃～320℃保温1.5h后结束；

16、本发明中，所述助剂种类为助溶剂、分散剂、消泡剂、增稠剂；

17、本发明中，所述助溶剂为1,2-丙二醇，甘油，乙二醇中的一种或多种；

18、本发明中，所述的分散剂为聚乙二醇200，乙烯基双硬脂酰胺中的一种或多种；

19、本发明中，所述的消泡剂为磷酸三丁酯、聚醚型消泡剂、聚二甲基硅氧烷中的一种或多种；

20、本发明中，所述的增稠剂为羟乙基纤维素、羟丙基甲基纤维素中的一种或多种；

21、本发明中，所述热压温度为370±10℃，热压压力为8～12mpa，保温时间为2h。

22、与现有技术相比，本发明的有益效果为：

23、1、本发明使用涂覆工艺制备了h-bn/ptfe基高导热复合基板，且该高导热复合基板的导热系数在室温下平行于c轴方向的导热系数为1.42w/(m·k)，而平行于c轴法线方向的导热系数可高达6.18w/(m·k)，导热系数相比纯树脂提高了25倍以上，同时该复合基板介电常数为2.7左右，介电损耗在10ghz测试频率下低于1*10-3。

24、2、本发明所制备的高导热复合基板在保留优良介电性能的前提下具备较高的导热性能，同时也具有优秀的加工性能，可满足新一代高频高速复合材料基板产品的要求。

25、3.本发明所制备的高导热复合基板具有高介质散热能力和卓越的热稳定性，同时也具有卓越的高频性能，能够应用于高功率射频和微波放大器。

26、4、本发明通过涂覆工艺来定向增强h-bn在ptfe中的取向性，以此提高复合基板的导热性能，相比于其他定向工艺，涂覆工艺实施更加简单并且效率更高。同时相比模压成型工艺，涂覆工艺可以制备更小尺寸的基板并且填料分散的均匀性更好，同时工艺流程简单也易于工厂化制备且效率更高且通过涂覆工艺所制备的复合基板性能稳定。