一种PTFE复合介质基板及其制备方法

本发明涉及微波介电技术领域，具体涉及一种利用不同粒径的二氧化硅空心球作为陶瓷填料的ptfe复合介质基板及其制备方法。

背景技术：

近年来，随着移动通信、卫星通信、全球卫星定位系统(gps)、蓝牙技术以及无线局域网(wlan)等现代通信技术的飞速发展，微波技术也向着更高频率，即向着毫米波和亚毫米波的方向发展。

陶瓷填充聚合物复合材料作为微波介电复合材料，既具有聚合物柔韧性好、可加工性能高等优点，还具有陶瓷材料优异的介电性能与尺寸稳定性等特点。其中以聚四氟乙烯(ptfe)为基质的复合玻璃纤维或复合陶瓷粉料的新型微波介质材料性能最突出，其具有很好的宽带及高频特性，可用于天线、复杂多层线路及微波线路等平面或非平面的结构，满足滤波器及振荡器等的需求，且易于进行切割钻孔等机械加工，电路制作工艺简单，已成为混合集成电路中应用最广的材料。

传统的复合介质基板，往往采用单一大粒径空心硅球作为填料，与小粒径的二氧化硅空心球相比，大粒径的二氧化硅空心球空气含量较多，因此同体积下可以获得低介ptfe复合介质基板，但只采用大粒径的二氧化硅空心球作填料会有两个弊端：一是造成介质基板热膨胀系数的增大；二是在成型过程中大尺寸填料与基体之间会不可避免地会有空隙，造成基板不致密，从而增加介电损耗。

技术实现要素：

鉴于此，本发明的目的在于提供一种ptfe复合介质基板及其制备方法，采用多粒径的二氧化硅空心球作为陶瓷填料，制备的ptfe复合介质基板，材料致密，具有一定的机械性能与良好的介电性能，在高频下具有低介电常数和低介电损耗。

本发明提供一种ptfe复合介质基板，包括聚四氟乙烯基体及混合在聚四氟乙烯基体中的多粒径陶瓷填料；

所述多粒径陶瓷填料为二氧化硅空心球，包括小粒径空心硅球和大粒径空心硅球；

所述小粒径空心硅球的中粒径d50为200nm～3μm；

所述大粒径空心硅球的中粒径d50为8μm～25μm。

优选地，所采用的小粒径空心硅球和大粒径空心硅球的粒度离散度(d90-d10)/d50均小于1.5。

具体地，所述ptfe复合介质基板中多粒径陶瓷填料体积为聚四氟乙烯基体体积的10％～50％。

具体地，所述小粒径空心硅球和大粒径空心硅球的体积比为1∶3～3∶1。

具体地，所述小粒径空心硅球的壁厚为20nm～300nm；所述大粒径空心硅球的壁厚为500nm～800nm。

所述的ptfe复合介质基板，在高频10ghz附近,其介电常数ε小于2.1，介电损耗tgδ小于1.8×10^-3，在50～150℃温度区间的热膨胀系数cte小于60ppm/℃。

本发明还提供一种ptfe复合介质基板，首先通过湿法混料和压延成型得到复合材料预压片，最后采用真空热压成型方法使复合材料预压片成型，得到如上所述的复合介质基板。

所述的ptfe复合介质基板，具体包括如下步骤：

步骤1、将小粒径空心硅球和大粒径空心硅球在双中心混料机中混合，得到多粒径陶瓷填料；

步骤2、将多粒径陶瓷填料与聚四氟乙烯乳液在双中心混料机中混合，加入破乳剂破乳后进行二次混料，得到填料与基体混合均匀的共混物泥团；

步骤3、将得到的混合物泥团在三辊机上压延成片，干燥后进行二次压延得到表面平整光滑的复合材料预压片；

步骤4、将所述复合材料预压片双面覆铜箔热压，热压完成后降温至室温并取出，得到ptfe复合介质基板。

具体地，所述步骤1中，所述小粒径空心硅球和大粒径空心硅球的混合方式为双中心混合，转速为1000～2000r/min，时间为20～40s。

具体地，所述步骤2中，所述多粒径复合填料与聚四氟乙烯乳液的混合方法为双中心混合，转速为800～2000r/min，时间为20～40s。

具体地，所述步骤3中，所述复合材料预压片的厚度为0.8～2.0mm。

具体地，所述步骤4中，热压压强为8～10mpa，热压温度为360～390℃，热压时间为5～8h。

本发明有益效果如下：

本发明的ptfe复合介质基板及其制备方法，采用多种不同粒径的二氧化硅空心球均匀混合制备ptfe复合介质基板，性能优于采用单一粒径分布陶瓷填料的复合介质基板，不同粒径的二氧化硅空心球分散在ptfe基材中，得到的ptfe复合介质基板具有良好的介电性能和优异的热稳定性，具有显著的协同效果。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1是本发明ptfe复合介质基板的制备方法的流程示意图；

图2是实施例及对比例中所采用的中粒径为1.6μm二氧化硅空心球的sem图像；

图3是实施例3中多粒径二氧化硅空心球填料的sem图像；

图4是实施例3得到的ptfe基微波复合介质基板断面的sem图像。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，以下将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。

请参阅图1，本发明提供一种ptfe复合介质基板及其制作方法，首先通过湿法混料和压延成型得到复合材料预压片，最后采用真空热压成型方法使复合材料预压片成型，便可得到具有良好介电性能和优异热稳定性的复合介质基板。该制作方法具体包括如下步骤：

步骤1、将小粒径空心硅球和大粒径空心硅球在双中心混料机中混合，得到多粒径陶瓷填料。

其中，所采用的小粒径空心硅球的所述小粒径空心硅球的中粒径d50为200nm～3μm，粒度离散度(d90-d10)/d50优选为小于1.5。

其中，所采用的大粒径空心硅球的中粒径为8μm～25μm，粒度离散度(d90-d10)/d50优选为小于1.5。

其中，所述小粒径空心硅球和大粒径空心硅球按照体积比为1∶3～3∶1进行混合。

具体地，所述小粒径空心硅球的壁厚为20nm～300nm；所述大粒径空心硅球的壁厚为500nm～800nm。

具体地，所述步骤1中，所述小粒径空心硅球和大粒径空心硅球的混合方式为双中心混合，转速为1000～2000r/min，时间为20～40s。

步骤2、将所述多粒径陶瓷填料与聚四氟乙烯乳液在双中心混料机中混合，加入破乳剂破乳后进行二次混料，得到填料与基体混合均匀的共混物泥团。

具体地，按照多粒径陶瓷填料体积为聚四氟乙烯基体体积的10％～50％进行混合。

具体地，所述步骤2中，所述多粒径复合填料与聚四氟乙烯乳液的混合方法为双中心混合，转速为800～2000r/min，时间为20～40s。

步骤3、将得到的混合物泥团在三辊机上压延成片，干燥后进行二次压延得到表面平整光滑的复合材料预压片。

具体地，所述步骤3中，所述复合材料预压片的厚度为0.8～2.0mm。

步骤4、将所述复合材料预压片双面覆铜箔热压，热压完成后降温至室温并取出，得到ptfe复合介质基板。

具体地，所述步骤4中，热压压强为8～10mpa，热压温度为360～390℃，热压时间为5～8h。

本发明的ptfe复合介质基板及其制备方法，采用多种不同粒径的二氧化硅空心球均匀混合制备ptfe复合介质基板，如图4所示，大粒径和小粒径空心硅球能够均匀分散在ptfe复合介质基板中，小粒径空心硅球填充在大粒径空心硅球的空隙中，使不同粒径的二氧化硅空心球产生协同作用，进而使ptfe复合介质基板具有良好的介电性能和优异的热稳定性，所制备的ptfe复合介质基板，在高频10ghz附近,其介电常数ε小于2.1，介电损耗tgδ小于1.8×10^-3，在50～150℃温度区间的热膨胀系数cte小于60ppm/℃。

以下将结合具体实施例对本发明的技术方案做更进一步的详细说明。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。

实施例1

首先将中粒径d50为1.6μm的二氧化硅空心球(d10：1.1μm；d90：2.2μm；粒度离散度(d90-d10)/d50:0.69；浑源骏宏新材料有限公司)和中粒径d50为8.7μm的二氧化硅空心球(d10：6.1μm；d90：13.8μm；粒度离散度(d90-d10)/d50:0.88；浑源骏宏新材料有限公司)以1:1的体积比在双中心混料机中混合，其中中粒径为1.6μm的二氧化硅空心球的扫描电子显微镜sem图像如图2所示，转速1500r/min，时间为30s，得到多粒径陶瓷填料；将多粒径陶瓷填料与聚四氟乙烯乳液(中昊晨光化工研究院有限公司，型号sfn-2h，固含量60％)按照陶瓷填料与聚四氟乙烯为3:10的体积比在双中心混料机中混合，转速2000r/min，时间为30s；加入破乳剂(无水乙醇，国药集团化学试剂有限公司)破乳后进行二次混料，转速1000r/min，时间为40s，得到填料与基体混合均匀的共混物泥团；

将上述混合物泥团在三辊机上压延成1.2mm的预压片，干燥后进行二次压延得到表面平整光滑的复合材料预压片，厚度为1.0mm；

将所述预压片双面覆铜箔热压，热压时间为8h，热压温度最高为385℃，热压压强为10mpa，热压完成后降温至室温并取出热压片，得到ptfe复合介质基板。

将实施例1制备得到的ptfe复合介质基板经过铜箔腐蚀后进行电学性能测试，结果表明在高频10ghz处，其介电常数为2.05，介电损耗为1.8×10^-3，在50～150℃温度区间的热膨胀系数cte为54.08ppm/℃。

实施例2

首先将中粒径d50为1.6μm的二氧化硅空心球(d10：1.1μm；d90：2.2μm；粒度离散度(d90-d10)/d50:0.69；浑源骏宏新材料有限公司)和中粒径d50为18.6μm的二氧化硅空心球(d10：11.2μm；d90：30.4μm；粒度离散度(d90-d10)/d50:1.03；凯盛科技股份有限公司)以1:2的体积比在双中心混料机中混合，转速1000r/min，时间为30s，得到多粒径陶瓷填料；将多粒径陶瓷填料与聚四氟乙烯乳液(中昊晨光化工研究院有限公司，型号sfn-2h，固含量60％)按照陶瓷填料与聚四氟乙烯为3:10的体积比在双中心混料机中混合，转速2000r/min，时间为30s；加入破乳剂(无水乙醇，国药集团化学试剂有限公司)破乳后二次混料，转速1000r/min，时间为40s，得到填料与基体混合均匀的共混物泥团；

将上述混合物泥团在三辊机上压延成1.2mm的预压片，干燥后进行二次压延得到表面平整光滑的复合材料预压片，厚度为1.0mm；

将所述预压片双面覆铜箔热压，热压时间为8h，热压温度最高为380℃，热压压强为10mpa，热压完成后降温至室温并取出热压片，得到ptfe复合介质基板。

将实施例2制备得到的ptfe复合介质基板经过铜箔腐蚀后进行电学性能测试，结果表明在高频10ghz处，其介电常数为2.03，介电损耗为1.6×10^-3，在50～150℃温度区间的热膨胀系数cte为55.18ppm/℃。

实施例3

首先将上述中粒径分别为1.6μm、8.7μm和18.6μm的三种不同粒径的二氧化硅空心球以1：1：1的体积比在双中心混料机中混合，转速1500r/min，时间为30s，得到多粒径陶瓷填料，如图3所示；将多粒径陶瓷填料与聚四氟乙烯乳液(中昊晨光化工研究院有限公司，型号sfn-2h，固含量60％)按照陶瓷填料与聚四氟乙烯为3:10的体积比在双中心混料机中混合，转速2000r/min，时间为30s；加入破乳剂(无水乙醇，国药集团化学试剂有限公司)破乳后二次混料，转速1000r/min，时间为40s，得到填料与基体混合均匀的共混物泥团；

将上述混合物泥团在三辊机上压延成1.0mm的预压片，干燥后进行二次压延得到表面平整光滑的复合材料预压片，厚度为0.8mm；

将所述预压片双面覆铜箔热压，热压时间为8h，热压温度最高为385℃，热压压强为10mpa，热压完成后降温至室温并取出热压片，得到ptfe复合介质基板。

实施例3制备得到的ptfe复合介质基板的扫描电子显微镜sem照片如图4所示，可见不同粒径陶瓷填料在聚四氟乙烯基体中分散均匀；将实施例3制备得到的ptfe复合介质基板经过铜箔腐蚀后进行电学性能测试，结果表明在高频10ghz处，其介电常数为2.02，介电损耗为1.5×10^-3，在50～150℃温度区间的热膨胀系数cte为51.43ppm/℃。

对比例1

与实施例1相比，单独采用上述中粒径为1.6μm的二氧化硅空心球作为陶瓷填料，具体将中粒径1.6μm的二氧化硅空心球与聚四氟乙烯乳液(中昊晨光化工研究院有限公司，型号sfn-2h，固含量60％)按照陶瓷填料与聚四氟乙烯为3:10的体积比在双中心混料机中混合，转速2000r/min，时间为30s；加入破乳剂(无水乙醇，国药集团化学试剂有限公司)破乳后进行二次混料，转速1000r/min，时间为40s，得到填料与基体混合均匀的共混物泥团；

将上述混合物泥团在三辊机上压延成1.2mm的预压片，干燥后进行二次压延得到表面平整光滑的复合材料预压片，厚度为1.0mm；

将所述预压片双面覆铜箔热压，热压时间为8h，热压温度最高为385℃，热压压强为10mpa，热压完成后降温至室温并取出热压片，得到ptfe复合介质基板。

将对比例1制备得到的ptfe复合介质基板经过铜箔腐蚀后进行电学性能测试，结果表明在高频10ghz处，其介电常数为2.26，介电损耗为1.9×10^-3，在50～150℃温度区间的热膨胀系数cte为82.04ppm/℃。

对比例2

与实施例1相比，单独采用上述中粒径为18.6μm的二氧化硅空心球作为陶瓷填料，具体将中粒径为18.6μm的二氧化硅空心球与聚四氟乙烯乳液(中昊晨光化工研究院有限公司，型号sfn-2h，固含量60％)按照陶瓷填料与聚四氟乙烯为3:10的体积比在双中心混料机中混合，转速2000r/min，时间为30s；加入破乳剂(无水乙醇，国药集团化学试剂有限公司)破乳后进行二次混料，转速1000r/min，时间为40s，得到填料与基体混合均匀的共混物泥团；

将上述混合物泥团在三辊机上压延成1.2mm的预压片，干燥后进行二次压延得到表面平整光滑的复合材料预压片，厚度为1.0mm；

将所述预压片双面覆铜箔热压，热压时间为8h，热压温度最高为385℃，热压压强为10mpa，热压完成后降温至室温并取出热压片，得到ptfe复合介质基板。

将对比例1制备得到的ptfe复合介质基板经过铜箔腐蚀后进行电学性能测试，结果表明在高频10ghz处，其介电常数为1.99，介电损耗为1.9×10^-3，在50～150℃温度区间的热膨胀系数cte为99.57ppm/℃。

表1、实验例与对比例的性能测试结果

根据以上实施例和对比例的性能测试结果可以表明，本发明的ptfe复合介质基板，采用多种不同粒径的二氧化硅空心球作为陶瓷填料，性能明显优于采用单一粒径陶瓷填料的复合介质基板，不同粒径的二氧化硅空心球产生了明显的协同作用，得到的ptfe复合介质基板具有良好的介电性能和优异的热稳定性。

本发明虽已藉由上述实施例加以详细说明，但以上所述仅为使熟悉本技术者能更易于了解本发明，并非限定本发明的实施范围，故凡依本发明权利要求所述的形状构造特征及精神所为的均等变化与修饰，皆仍属本发明专利涵盖的范围内。