文獻(xiàn)速遞：六方氮化硼對(duì)高頻覆銅板聚苯醚樹脂熱性能和介電性能的影響

伴隨著5G時(shí)代的到來，具有高導(dǎo)熱性、低介電損耗和高剝離強(qiáng)度的覆銅層壓板(CCLs)已被廣泛應(yīng)用于印刷電路板(PCBs)的基材。本研究首次將六方氮化硼(hBN)引入覆銅板的聚合物絕緣填料(聚苯醚樹脂，PPER)中，得到的CCLs具有可達(dá)1W/m·K高的熱導(dǎo)率，介電損耗在4×10^?3，可以用于高頻應(yīng)用，通過SiO2涂層對(duì)hBN的界面裁剪，使剝離強(qiáng)度提高到最大值1.1N/mm。本文獲得的CCLs在熱和介電性能方面具有突出的優(yōu)勢(shì)，具有較好的應(yīng)用潛力。

該研究結(jié)果以“Effect of hexagonal boron nitride on the thermal and dielectric properties of polyphenylene ether resin for high-frequency copper clad laminates”為題發(fā)表在?Materials and Design?上（見文后原文鏈接）。文章第一作者是河海大學(xué)葛夢(mèng)妮碩士。

【圖文解析】

圖 1 用于(a)制備hBN@SiO₂粉末的實(shí)驗(yàn)程序和(b)CCLS的制備過程。

作者首先用SiO₂進(jìn)行hBN表面涂層(hBN@SiO₂)，上圖a展示了制作hBN@SiO₂ 的實(shí)驗(yàn)步驟示意圖，其簡(jiǎn)要描述如下:首先將50 g hBN顆粒放入800 mL乙醇溶液中超聲分散20 min，然后倒入三頸燒瓶中。在三頸燒瓶中加入60 mL氨水和125 mL去離子水，水浴磁力攪拌2 h，然后在50℃下將100 mL正硅酸乙酯(TEOS)緩慢滴入三頸燒瓶中，攪拌一段時(shí)間。然后將粉體抽濾，在120℃的鼓式風(fēng)干箱中干燥48h后，在hBN表面成功涂覆約30 wt%的SiO₂。

圖b展示了CCLs的制備過程，首先將hBN或填料通過高速機(jī)械攪拌將其均勻分散在聚苯醚樹脂(PPER)、交聯(lián)劑、二甲苯混合膠液中。然后將玻璃纖維布浸入樹脂膠液中，抽出揮發(fā)二甲苯。將獲得的復(fù)合板材料切成片，整齊地放置在銅箔之間，然后在真空熱壓機(jī)上進(jìn)行壓制得到CCLs。

圖 2 SiO₂納米粒子在hBN上的涂層過程(a)及hBN和hBN@ SiO₂粉體的微觀結(jié)構(gòu)表征:(b) SEM圖像，(c) XRD譜圖，(d) FT-IR光譜，(e)粉體尺寸分布。

圖 3 填料含量對(duì)CCLs熱導(dǎo)率和熱阻的影響

圖 4 不同CCLs的對(duì)數(shù)熱導(dǎo)率

圖 5 不同填充量對(duì)CCLs介電常數(shù)和介電損耗的影響

總體而言，添加hBN或hbn@sio2填料可以明顯提高PPER的導(dǎo)熱系數(shù)。填充33 wt% hBN@ sio2和48 wt% hBN的CCLs的最大導(dǎo)熱系數(shù)分別達(dá)到0.639 W/m·K和1.08 W/m·K。值得注意的是，當(dāng)hBN或hBN@SiO2填充量增加到63 wt%時(shí)，CCLs的熱導(dǎo)率下降，另一方面，48 wt% hBN和33 wt% hBN@ sio2的PPER的熱阻也分別降低到1.852 K/W和0.883 K/W，這有利于CCLs在高頻應(yīng)用場(chǎng)合的快速散熱。

當(dāng)填料含量從0 wt%增加到48 wt%時(shí)，介質(zhì)介電常數(shù)值開始增大，以48 wt% hBN填充CCLs的介電常數(shù)值達(dá)到最大值3.94，以33 wt% hBN@SiO2填充CCLs的介電常數(shù)值達(dá)到最大值3.78。在本研究中，由于Si-O鏈或其他未占據(jù)分子的存在，hBN上的sio2涂層略微降低了介電常數(shù)，但卻意外地增加了介電損耗。盡管如此，圖5中HS-CCLs的最高介電損耗在更高頻率的5 GHz下小于16×10^?3，而H-CCLs的最高介電損耗為4.9×10^?3，這與文獻(xiàn)報(bào)道的相關(guān)復(fù)合材料相比具有很高的優(yōu)勢(shì)。

圖 6 填料含量對(duì)CCLs破壞強(qiáng)度的影響

圖 7 填料含量對(duì)CCLs (a)剝離強(qiáng)度和(b)剝離過程的影響

圖 8 不同hBN@SiO2含量的CCLs的橫截面(a) 0 wt%， (b) 18 wt%， (c) 33 wt%， (d) 48 wt%， (e) 63 wt%， (f) hBN@SiO2的剝離樣品

圖 9 填料含量對(duì)CCLs (a)橫向強(qiáng)度和(b)縱向強(qiáng)度的影響

表格 1 不同hBN和hBN@SiO2含量的CCLs 的吸水率。

    此外作者還研究了填料含量對(duì)CCLs的橫縱向剝離強(qiáng)度、剝離橫截面及吸水率的影響。

【總結(jié)】

綜上所述，作者成功地制備了以hBN填充的PPER作為保溫層的高性能CCLs，并進(jìn)行了hBN的表面改性以提高CCLs的剝離強(qiáng)度。系統(tǒng)研究了hBN和hBN@SiO2填料含量對(duì)CCLs綜合性能的影響。

(1) 實(shí)驗(yàn)證明，加入hBN或hBN@SiO2填料可以明顯提高CCLs的導(dǎo)熱系數(shù)，最大導(dǎo)熱系數(shù)達(dá)到1 W/m·K以上。研究發(fā)現(xiàn)，Agari半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ湍茌^好地反映HS-CCLs的導(dǎo)熱行為，而考慮了SiO2涂層的界面熱阻效應(yīng)，提出了一種改進(jìn)的二次模型來描述HS-CCLs的導(dǎo)熱行為。

(2)發(fā)現(xiàn)在hBN上的SiO2涂層降低了介質(zhì)介電常數(shù)，增加了介電損耗。但充滿hBN或hBN@SiO2的CCLs即使在5 GHz的高測(cè)試頻率下，介電常數(shù)也低于4.0。同時(shí)，介電損耗不高于0.016，明顯低于文獻(xiàn)中CCLs的介電損耗。

(3)雖然hBN摻入降低了CCLs的剝離強(qiáng)度，但hBN表面的SiO₂改性明顯減緩了下降趨勢(shì)，最大值仍高達(dá)1.1 N/mm，比改性前提高了45.7%。

(4)由于SiO₂的親水性強(qiáng)于hBN, hBN@SiO2-CCLs的水吸附比高于hBN-CCLs。但當(dāng)hBN濃度為小于30 wt%時(shí)，CCLs吸水率仍低于1 wt%。

全文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0264127519304666

來源：

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