CN102585444B - 复合材料、基于复合材料的介质基板及其制造方法 - Google Patents
复合材料、基于复合材料的介质基板及其制造方法 Download PDFInfo
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Abstract
一种复合材料包括母体材料、高介电常数的粉末颗粒及包裹所述高介电常数的粉末颗粒的有机高分子材料；所述高介电常数的粉末颗粒和有机高分子材料形成核壳结构，所述母体材料和有机高分子材料互不相溶；所述核壳结构无规则离散地分布嵌入在所述母体材料中。通过以高介电陶瓷为核、有机高分子膜为外壳的核壳结构嵌入在所述母体材料中，这样形成的复合材料及基于复合材料的介质基板的损耗可降低50％以上。本发明还提供一种基于高介电常数、低损耗的复合材的介质基板及复合材料的制造方法。
Description
技术领域
本发明涉及复合材料领域，尤其涉及一种高介电常数、低损耗的复合材料、基于复合材料的介质基板及其制造方法。
背景技术
在通讯系统中，电子元器件的尺寸逐步向着高功效、多功能及小尺寸方向发展，这对高频材料的性能提出更高的需求。现代电子信息产品特别是微波射频器件的高速发展，集成度极大的提高及数字化、高频化、多功能化等应用要求已经向一般的PTFE高频板及制造工艺提出了挑战。
目前市场上的高频材料主要有PTFE基板、热固性PPO、交联聚丁二烯基板和环氧树脂复合基板。其介电常数、介电损耗及可加工性能三者匹配的需求已经非常迫切。有机复合基板材料一般是将无机氧化物陶瓷颗粒均匀分散到有机高分子材料中来制造复合材料基板。无机氧化物具有较高的介电常数，有机高分子材料具有很好的成型性和可加工性能，结合上述两者的优点，就可得到介电常数在较高范围、同时可加工性能良好的复合材料。
因选取的原材料的限制，现有的有机高分子-氧化物陶瓷复合材料不能获得较高的介电常数，介电损耗也较大。然而，常见的高介电有机高分子-氧化物陶瓷复合材料通常由环氧树脂、酚醛树脂、聚四氟乙烯等介电常数较低、损耗较大的高分子材料与介电常数较大、但损耗也较高的铁电陶瓷颗粒组成。为了保证材料的可加工性，树脂的含量不能太低，即是高介电常数的铁电陶瓷的含量不能太高，这就导致复合材料的介电常数不高。同时，高分子材料组分和铁电陶瓷材料组分的高损耗也会致使复合材料的较高的损耗。
发明内容
基于此，为了解决现有复合材料及基于复合材料介质基板的介电常数不高而且损耗较高的技术问题，因此提供一种基于高介电常数、低损耗的复合材。
本发明还提供一种基于高介电常数、低损耗的复合材的介质基板。
同时，本发明还提供一种介质基板的制造方法。
一种复合材料包括母体材料、高介电常数的粉末颗粒及包裹所述高介电常数的粉末颗粒的有机高分子材料；所述高介电常数的粉末颗粒和有机高分子材料形成核壳结构，所述母体材料和包裹所述高介电常数的粉末颗粒的所述有机高分子材料互不相溶；所述核壳结构无规则离散地分布嵌入在所述母体材料中，所述母体材料为高分子材料，选用环氧树脂、聚烯烃、聚丙烯酸酯类、聚硅氧烷类及其共聚物或共混物中的任意一种，其中，每一所述高介电常数的粉末颗粒的粒径在0.1μm-2μm之间，所述高介电常数的粉末颗粒由高介电陶瓷材料磨制成，所述高介电陶瓷材料选用钛酸钡-锡酸钙和钛酸钡-锆酸钡系高介电常数铁电陶瓷、钛酸钡-锡酸铋系介电常数变化率低的铁电陶瓷、钛酸钡-锆酸钙-铌锆酸铋和钛酸钡－锡酸钡系高压铁电陶瓷以及多钛酸铋及其与钛酸锶组成的固溶体系低损耗铁电陶瓷中的任意一种。
进一步地，所述高介电常数的粉末颗粒表面上涂覆有活性剂，所述有机高分子材料通过化学键或氢键吸附在表面活性剂上以形成所述核壳结构。
进一步地，所述有机高分子材料选用聚苯乙烯（PS）或者聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）中的任意一种。
一种基于复合材料的介质基板，包括一导电箔和依附于所述导电箔上的复合材料；所述复合材料包括母体材料、高介电常数的粉末颗粒及包裹所述高介电常数的粉末颗粒的有机高分子材料；所述高介电常数的粉末颗粒和有机高分子材料形成核壳结构，所述母体材料和包裹所述高介电常数的粉末颗粒的所述有机高分子材料互不相溶；所述核壳结构无规则离散地分布嵌入在所述母体材料中，所述母体材料为高分子材料，选用环氧树脂、聚烯烃、聚丙烯酸酯类、聚硅氧烷类及其共聚物或共混物中的任意一种，其中，每一所述高介电常数的粉末颗粒的粒径在0.1μm-2μm之间，所述高介电常数的粉末颗粒由高介电陶瓷材料磨制成，所述高介电陶瓷材料选用钛酸钡-锡酸钙和钛酸钡-锆酸钡系高介电常数铁电陶瓷、钛酸钡-锡酸铋系介电常数变化率低的铁电陶瓷、钛酸钡-锆酸钙-铌锆酸铋和钛酸钡－锡酸钡系高压铁电陶瓷以及多钛酸铋及其与钛酸锶组成的固溶体系低损耗铁电陶瓷中的任意一种。
进一步地，所述导电箔选铜箔、银箔或者金箔中的任意一种。
一种复合材料的制造方法包括如下步骤：
将高介电常数陶瓷加工成粉末颗粒，其中，每一所述高介电常数的粉末颗粒的粒径在0.1μm-2μm之间，所述高介电常数的粉末颗粒由高介电陶瓷材料磨制成，所述高介电陶瓷材料选用钛酸钡-锡酸钙和钛酸钡-锆酸钡系高介电常数铁电陶瓷、钛酸钡-锡酸铋系介电常数变化率低的铁电陶瓷、钛酸钡-锆酸钙-铌锆酸铋和钛酸钡－锡酸钡系高压铁电陶瓷以及多钛酸铋及其与钛酸锶组成的固溶体系低损耗铁电陶瓷中的任意一种；
将高介电常数陶瓷粉末颗粒表面包裹有机高分子材料，形成核壳结构；
将上述核壳结构和母体材料溶液按照一定比例进行混合配制成粘度溶液，所述母体材料为高分子材料，选用环氧树脂、聚烯烃、聚丙烯酸酯类、聚硅氧烷类及其共聚物或共混物中的任意一种，所述母体材料和包裹所述高介电常数陶瓷粉末颗粒的所述有机高分子材料互不相溶；所述核壳结构无规则离散地分布嵌入在所述母体材料中；
烘干和固化上述粘度溶液。
与相对单纯陶瓷粉体加入到高分子母体材料中相比，本发明以高介电陶瓷为核、有机高分子膜为外壳的核壳结构，将上述核壳结构和母体材料溶液按照一定比例进行混合配制成粘度溶液；然后烘干和固化所述粘度溶液使得所述核壳结构无规则离散地分布嵌入在所述母体材料中，这样形成的复合材料及基于复合材料的介质基板的损耗可降低50%以上。
附图说明
图1是本发明的高介电常数、低损耗复合材料一实施方式的示意图；
图2是本发明的高介电常数、低损耗复合材料另一实施方式的示意图；
图3为基于图1所示复合材料加工成单面铜箔的介质基板一实施方式的示意图；
图4为基于图1所示复合材料加工成双面铜箔的介质基板另一实施方式的示意图；
图5为图4所示介质基板的介电常数随高介电常数粉粒占复合材料含量的变化示意图；
图6为本复合材料中核壳结构形成过程示意图；
图7为本发明的高介电常数、低损耗复合材料的制造工艺流程图；
图8为图4所示介质基板制造的一实施方式工艺流程图；
图9为图4所示介质基板制造的另一实施方式工艺流程图。
具体实施方式
现在详细参考附图中描述的实施例。为了全面理解本发明，在以下详细描述中提到了众多具体细节。但是本领域技术人员应该理解，本发明可以无需这些具体细节而实现。在其他实施方式中，不详细描述公知的方法。过程、组件和电路，以免不必要地使实施例模糊。
请参考图1，为本发明高介电常数、低损耗的复合材料一实施方式的示意图。所述复合材料10包括母体材料101、高介电常数的粉末颗粒103及包裹所述高介电常数的粉末颗粒103的有机高分子材料102。所述高介电常数的粉末颗粒103和有机高分子材料102形成核壳结构11，所述核壳结构11无规则离散地分布嵌入在所述母体材料101中。所述复合材料10在未烘干和固化之前为一定粘度的高分子溶液。
所述母体材料10为高分子材料，包括但不限于环氧树脂、聚烯烃、聚丙烯酸酯类、聚硅氧烷类及其共聚物或共混物。
在本实施方式中，通过采用高介电陶瓷材料磨制成所述高介电常数的粉末颗粒103，每一高介电常数的粉末颗粒103的粒径在0.05μm-4μm之间，其中较优选地高介电常数的粉末颗粒103的粒径0.1μm-2μm之间。其中高介电陶瓷材料包括但不限于钛酸钡-锡酸钙和钛酸钡-锆酸钡系高介电常数铁电陶瓷、钛酸钡-锡酸铋系介电常数变化率低的铁电陶瓷、钛酸钡-锆酸钙-铌锆酸铋和钛酸钡－锡酸钡系高压铁电陶瓷以及多钛酸铋及其与钛酸锶等组成的固溶体系低损耗铁电陶瓷等。
请参阅图6，为了使在高介电常数的粉末颗粒103表面形成有机高分子材料102，首先在高介电常数的粉末颗粒103表面上涂覆有活性剂104将高介电常数的粉末颗粒103表面改性，然后有机高分子材料102通过化学键或氢键等吸附在表面活性剂104上。
所述有机高分子材料102可以选用各种与母体材料10不相溶的有机高分子材料，在加工过程中，应该根据不同工艺选择不同相应的材料。在本实施方式中，有机高分子材料102选用聚苯乙烯（PS）或者聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）。
请参考图2，是本发明的高介电常数、低损耗复合材料另一实施方式的示意图。所述核壳结构11离散且均匀地分布嵌入在所述母体材料101中。所述复合材料10在未烘干和固化之前为一定粘度的高分子溶液。
请参考图3，为基于所述复合材料加工成介质基板一实施方式的示意图。所述介质基板8包括一导电箔13和依附于所述导电箔13上的复合材料10。在本实施方式中，所述导电箔13优选铜箔。在其他实施方式中，所述导电箔13选择银箔或者金箔。
请参考图4，为基于所述复合材料加工成介质基板另一实施方式的示意图。所述介质基板8包括第一导电箔11、第二导电箔13和夹于所述10。在本实施方式中，所述第一导电箔11和第二导电箔13优选铜箔。在其他实施方式中，所述第一导电箔11和第二导电箔13银箔或金箔。
进一步参考图5，为图4所示介质基板的介电常数随高介电常数的粉末颗粒103整个复合材料中含量的变化。很明显地，随着高介电常数的粉末颗粒103比例增加，其介质基板9的介电常数逐渐增加。其中当高介电常数的粉末颗粒103比例为整个复合材料10的5%时，介质基板9的介电常数大约为3.4左右；当高介电常数的粉末颗粒103比例为整个复合材料10的10%，介质基板9的介电常数大约为4.1左右；当高介电常数的粉末颗粒103比例为整个复合材料10的25%，介质基板9的介电常数大约为6.4左右；当高介电常数的粉末颗粒103比例为整个复合材料10的30%，介质基板9的介电常数达到8.3左右。由此可见，可以通过提高高介电常数的粉末颗粒103比例以提高介质基板9的介电常数。
下面介绍上述高介电常数、低损耗复合材料及基于高介电常数、低损耗复合材料技术制造介质基板：
请参阅图7,为本发明的高介电常数、低损耗复合材料的制造工艺流程图。所述复合材料加工流程如下：
步骤21：将高介电常数陶瓷加工成粉末颗粒。在该步骤中，通过将高介电陶瓷材料磨制成所述高介电常数的粉末颗粒，每一高介电常数的粉末颗粒的粒径在0.05μm-4μm之间，其中较优选地高介电常数的粉末颗粒的粒径0.1μm-2μm之间。其中高介电陶瓷材料包括但不限于钛酸钡-锡酸钙和钛酸钡-锆酸钡系高介电常数铁电陶瓷、钛酸钡-锡酸铋系介电常数变化率低的铁电陶瓷、钛酸钡-锆酸钙-铌锆酸铋和钛酸钡－锡酸钡系高压铁电陶瓷以及多钛酸铋及其与钛酸锶等组成的固溶体系低损耗铁电陶瓷等。
步骤23：将高介电常数陶瓷粉末颗粒表面包裹有机高分子材料，形成核壳结构。在本实施方式中，首先在高介电常数陶的粉末颗粒表面上涂覆有活性剂将高介电常数的粉末颗粒表面改性，然后有机高分子材料通过化学键或氢键等吸附在表面活性剂上以形成核壳结构。
步骤25：将上述核壳结构和母体材料溶液按照一定比例进行混合配制成粘度溶液。核壳结构和母体材料溶液按照比例进行混合并进行搅拌均匀，使之成为粘度的液体。在本实施方式中，所述母体材料为高分子材料，包括但不限于环氧树脂、聚烯烃、聚丙烯酸酯类、聚硅氧烷类及其共聚物或共混物，且在未通过烘干或固化手段，所述母体材料液体状态。
步骤27：烘干和固化上述粘度溶液形成本发明的高介电常数、低损耗的复合材料。在本实施方式中，在烘干、固化过程的温度控制50～100℃之间；而其烘干、固化采用业界常用方法及设备。
请参阅图8，为本发明介质基板制造的一实施方式工艺流程图。所述介质基板加工流程如下：
步骤31：将高介电常数陶瓷加工成粉末颗粒。在该步骤中，通过将高介电陶瓷材料磨制成所述高介电常数的粉末颗粒，每一高介电常数的粉末颗粒的粒径在0.05μm-4μm之间，其中较优选地高介电常数的粉末颗粒的粒径0.1μm-2μm之间。其中高介电陶瓷材料包括但不限于钛酸钡-锡酸钙和钛酸钡-锆酸钡系高介电常数铁电陶瓷、钛酸钡-锡酸铋系介电常数变化率低的铁电陶瓷、钛酸钡-锆酸钙-铌锆酸铋和钛酸钡－锡酸钡系高压铁电陶瓷以及多钛酸铋及其与钛酸锶等组成的固溶体系低损耗铁电陶瓷等。
步骤33：将高介电常数陶瓷粉末颗粒表面包裹有机高分子材料，形成核壳结构。在本实施方式中，首先在高介电常数陶的粉末颗粒表面上涂覆有活性剂将高介电常数的粉末颗粒表面改性，然后有机高分子材料通过化学键或氢键等吸附在表面活性剂上以形成核壳结构。
步骤35：将上述核壳结构和母体材料溶液按照一定比例进行混合配制成粘度溶液。核壳结构和母体材料溶液按照比例进行混合并进行搅拌均匀，使之成为粘度溶液。在本实施方式中，所述母体材料为高分子材料，包括但不限于环氧树脂、聚烯烃、聚丙烯酸酯类、聚硅氧烷类及其共聚物或共混物，且在未通过烘干或固化手段，所述母体材料液体状态。
步骤37：提供第一导电箔，将粘度溶液涂布在第一导电箔上。在本实施方式中，所述第一导电箔11选铜箔，然后业界常用溶液涂布方法及设备将粘度溶液涂布在铜箔一表面上。在其他实施方式中，所述第一导电箔11可选用银箔或金箔。
步骤38：烘干和固化上述粘度溶液形成单面覆导电箔介质基板。在本实施方式中，在烘干、固化过程的温度控制50～100℃之间；而其烘干、固化采用业界常用方法及设备。
步骤39：将覆第一导电箔介质基板与第二导电箔压合，形成双面覆导电箔的介质基板。所述第一导电箔介质基板指将第一导电箔上复合材料烘干和固化形成单面覆导电箔介质基板。
请参阅图8，为本发明介质基板制造的另一实施方式工艺流程图。所述介质基板加工流程如下：
步骤41：提供高介电常数的粉末颗粒。在该步骤中，高介电常数的粉末颗粒的粒径在0.05μm-4μm之间，其中较优选地高介电常数的粉末颗粒的粒径0.1μm-2μm之间。其中高介电常数的粉末颗粒包括但不限于钛酸钡-锡酸钙和钛酸钡-锆酸钡系高介电常数铁电陶瓷、钛酸钡-锡酸铋系介电常数变化率低的铁电陶瓷、钛酸钡-锆酸钙-铌锆酸铋和钛酸钡－锡酸钡系高压铁电陶瓷以及多钛酸铋及其与钛酸锶等组成的固溶体系低损耗铁电陶瓷等。
步骤43：将高介电常数陶瓷粉末颗粒表面包裹有机高分子材料，形成核壳结构。在本实施方式中，首先在高介电常数陶的粉末颗粒表面上涂覆有活性剂将高介电常数的粉末颗粒表面改性，然后有机高分子材料通过化学键或氢键等吸附在表面活性剂上以形成核壳结构。
步骤45：将上述核壳结构和母体材料溶液按照一定比例进行混合配制成粘度溶液。核壳结构和母体材料溶液按照比例进行混合并进行搅拌均匀，使之成为粘度溶液。在本实施方式中，所述母体材料为高分子材料，包括但不限于环氧树脂、聚烯烃、聚丙烯酸酯类、聚硅氧烷类及其共聚物或共混物，且在未通过烘干或固化手段，所述母体材料液体状态。
步骤47：提供第一导电箔，将粘度溶液涂布在第一导电箔上。在本实施方式中，所述第一导电箔11选铜箔，然后业界常用溶液涂布方法及设备将粘度溶液涂布在铜箔一表面上。在其他实施方式中，所述第一导电箔11可选用银箔或金箔。
步骤48：烘干和固化上述粘度溶液形成单面覆导电箔介质基板。在本实施方式中，在烘干、固化过程的温度控制50～100℃之间；而其烘干、固化采用业界常用方法及设备。
步骤49：将覆第一导电箔介质基板与第二导电箔压合，形成双面覆导电箔的介质基板。所述覆第一导电箔介质基板指将第一导电箔上复合材料烘干和固化形成单面覆导电箔介质基板。双面覆导电箔的介质基板是指将所述覆第一导电箔介质基板与第二导电箔压合形成双面覆导电箔的介质基板。
通过采用上述高介电常数、低损耗的复合材料加工工艺以及基于上述复合材料，且与相对单纯陶瓷粉体加入到高分子母体材料中相比，本发明以高介电陶瓷为核、有机高分子膜为外壳的核壳结构，将上述核壳结构和母体材料溶液按照一定比例进行混合配制成粘度溶液；然后烘干和固化所述粘度溶液使得所述核壳结构无规则离散地分布嵌入在所述母体材料中，这样形成的复合材料及基于复合材料的介质基板的损耗可降低50%以上。制得介质基板才满足现有电子设备的需求。
上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。
Claims (6)
1.一种复合材料，其特征在于，包括母体材料、高介电常数的粉末颗粒及包裹所述高介电常数的粉末颗粒的有机高分子材料；所述高介电常数的粉末颗粒和有机高分子材料形成核壳结构，所述母体材料和包裹所述高介电常数的粉末颗粒的所述有机高分子材料互不相溶；所述核壳结构无规则离散地分布嵌入在所述母体材料中，所述母体材料为高分子材料，选用环氧树脂、聚烯烃、聚丙烯酸酯类、聚硅氧烷类及其共聚物或共混物中的任意一种，其中，每一所述高介电常数的粉末颗粒的粒径在0.1μm-2μm之间，所述高介电常数的粉末颗粒由高介电陶瓷材料磨制成，所述高介电陶瓷材料选用钛酸钡-锡酸钙和钛酸钡-锆酸钡系高介电常数铁电陶瓷、钛酸钡-锡酸铋系介电常数变化率低的铁电陶瓷、钛酸钡-锆酸钙-铌锆酸铋和钛酸钡－锡酸钡系高压铁电陶瓷以及多钛酸铋及其与钛酸锶组成的固溶体系低损耗铁电陶瓷中的任意一种。
2.根据权利要求1所述的复合材料，其特征在于：所述高介电常数的粉末颗粒表面上涂覆有活性剂，所述有机高分子材料通过化学键或氢键吸附在表面活性剂上以形成所述核壳结构。
3.根据权利要求2所述的复合材料，其特征在于：所述有机高分子材料选用聚苯乙烯（PS）或者聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）中的任意一种。
4.一种基于复合材料的介质基板，包括一导电箔和依附于所述导电箔上的复合材料；所述复合材料包括母体材料、高介电常数的粉末颗粒及包裹所述高介电常数的粉末颗粒的有机高分子材料；所述高介电常数的粉末颗粒和有机高分子材料形成核壳结构，所述母体材料和包裹所述高介电常数的粉末颗粒的所述有机高分子材料互不相溶；所述核壳结构无规则离散地分布嵌入在所述母体材料中，所述母体材料为高分子材料，选用环氧树脂、聚烯烃、聚丙烯酸酯类、聚硅氧烷类及其共聚物或共混物中的任意一种，其中，每一所述高介电常数的粉末颗粒的粒径在0.1μm-2μm之间，所述高介电常数的粉末颗粒由高介电陶瓷材料磨制成，所述高介电陶瓷材料选用钛酸钡-锡酸钙和钛酸钡-锆酸钡系高介电常数铁电陶瓷、钛酸钡-锡酸铋系介电常数变化率低的铁电陶瓷、钛酸钡-锆酸钙-铌锆酸铋和钛酸钡－锡酸钡系高压铁电陶瓷以及多钛酸铋及其与钛酸锶组成的固溶体系低损耗铁电陶瓷中的任意一种。
5.根据权利要求4所述的基于复合材料的介质基板，其特征在于：所述导电箔选铜箔、银箔或者金箔中的任意一种。
6.一种复合材料的制造方法，其特征在于：所述制造方法包括如下步骤：
将高介电常数陶瓷加工成粉末颗粒，其中，每一所述高介电常数的粉末颗粒的粒径在0.1μm-2μm之间，所述高介电常数的粉末颗粒由高介电陶瓷材料磨制成，所述高介电陶瓷材料选用钛酸钡-锡酸钙和钛酸钡-锆酸钡系高介电常数铁电陶瓷、钛酸钡-锡酸铋系介电常数变化率低的铁电陶瓷、钛酸钡-锆酸钙-铌锆酸铋和钛酸钡－锡酸钡系高压铁电陶瓷以及多钛酸铋及其与钛酸锶组成的固溶体系低损耗铁电陶瓷中的任意一种；
将高介电常数陶瓷粉末颗粒表面包裹有机高分子材料，形成核壳结构；
将上述核壳结构和母体材料溶液按照一定比例进行混合配制成粘度溶液，所述母体材料为高分子材料，选用环氧树脂、聚烯烃、聚丙烯酸酯类、聚硅氧烷类及其共聚物或共混物中的任意一种，所述母体材料和包裹所述高介电常数陶瓷粉末颗粒的所述有机高分子材料互不相溶,所述核壳结构无规则离散地分布嵌入在所述母体材料中；
烘干和固化上述粘度溶液形成复合材料。
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| CN101293986A (zh) * | 2008-05-30 | 2008-10-29 | 清华大学 | 含有核@壳结构填料的高介电复合材料及其制备方法 |
| CN101712784A (zh) * | 2009-10-29 | 2010-05-26 | 西安交通大学 | 一种核壳结构填料/聚合物基复合材料及其制备方法 |
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| JP2001220224A (ja) * | 2000-02-04 | 2001-08-14 | Taiyo Yuden Co Ltd | 誘電体磁器と積層セラミック電子部品 |
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