文獻速遞：六方氮化硼對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時代的到來，具有高導熱性、低介電損耗和高剝離強度的覆銅層壓板(CCLs)已被廣泛應用于印刷電路板(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1W/m·K高的熱導率，介電損耗在4×10^?3，可以用于高頻應用，通過SiO2涂層對hBN的界面裁剪，使剝離強度提高到最大值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，具有較好的應用潛力。

該研究結果以“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葛夢妮碩士。

【圖文解析】

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

作者首先用SiO₂進行hBN表面涂層(hBN@SiO₂)，上圖a展示了制作hBN@SiO₂ 的實驗步驟示意圖，其簡要描述如下: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，攪拌一段時間。然后將粉體抽濾，在120℃的鼓式風干箱中干燥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或填料通過高速機械攪拌將其均勻分散在聚苯醚樹脂(PPER)、交聯劑、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，然后在真空熱壓機上進行壓制得到CCLs。

圖 2 SiO₂納米粒子在hBN上的涂層過程(a)及hBN和hBN@ SiO₂粉體的微觀結構表征:(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CCLs熱導率和熱阻的影響

圖 4 不同CCLs的對數熱導率

圖 5 不同填充量對CCLs介電常數和介電損耗的影響

總體而言，添加hBN或hbn@sio2填料可以明顯提高PPER的導熱系數。填充33 wt% hBN@ sio2和48 wt% hBN的CCLs的最大導熱系數分別達到0.639 W/m·K和1.08 W/m·K。值得注意的是，當hBN或hBN@SiO2填充量增加到63 wt%時，CCLs的熱導率下降，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在高頻應用場合的快速散熱。

當填料含量從0 wt%增加到48 wt%時，介質介電常數值開始增大，以48 wt% hBN填充CCLs的介電常數值達到最大值3.94，以33 wt% hBN@SiO2填充CCLs的介電常數值達到最大值3.78。在本研究中，由于Si-O鏈或其他未占據分子的存在，hBN上的sio2涂層略微降低了介電常數，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，這與文獻報道的相關復合材料相比具有很高的優(yōu)勢。

圖 6 填料含量對CCLs破壞強度的影響

圖 7 填料含量對CCLs (a)剝離強度和(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CCLs (a)橫向強度和(b)縱向強度的影響

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CCLs的橫縱向剝離強度、剝離橫截面及吸水率的影響。

【總結】

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，并進行了hBN的表面改性以提高CCLs的剝離強度。系統研究了hBN和hBN@SiO2填料含量對CCLs綜合性能的影響。

(1) 實驗證明，加入hBN或hBN@SiO2填料可以明顯提高CCLs的導熱系數，最大導熱系數達到1 W/m·K以上。研究發(fā)現，Agari半經驗模型能較好地反映HS-CCLs的導熱行為，而考慮了SiO2涂層的界面熱阻效應，提出了一種改進的二次模型來描述HS-CCLs的導熱行為。

(2)發(fā)現在hBN上的SiO2涂層降低了介質介電常數，增加了介電損耗。但充滿hBN或hBN@SiO2的CCLs即使在5 GHz的高測試頻率下，介電常數也低于4.0。同時，介電損耗不高于0.016，明顯低于文獻中CCLs的介電損耗。

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

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

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

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