高精度聚四氟乙烯基微波介质基板成型工艺研究

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实际生产聚四氟乙烯(PTFE)基微波介质基板,为了达到微波电路一致性要求,微波介质基板的厚度公差根据厚度的差异,从0.04mm至0.1mm不等,微波介质基板对厚度精度要求较高。因此要实现微波介质基板的工程化生产,需要研究高精度微波介质基板的成型工艺。本文以工程化应用为导向,提出将微波介质基板粉状原料分散在分散介质中得到悬浮液,然后置于多孔模具中通过真空负压成型和模压成型相结合的成型方法得到生坯,再经过干燥和烧结定型得到微波介质基板。此成型方法简单易行,成型得到的基板厚度精度高,有作为微波介质基板成型工艺的潜力。  本文对成型工艺过程中搅拌速度、悬浮液固含量、负压压力、模压成型压力等工艺参数进行了相关的研究与优化。为降低成本,将分散介质由乙醇替换为表面活性剂的水溶液,研究表面活性剂对原料润湿性能以及浓度对基板性能的影响,主要内容包括:实验研究得到微波介质基板的厚度公差与搅拌速度和模压成型压力呈反相关关系,与悬浮液固含量呈正相关关系,吸湿率与搅拌速度、悬浮液固含量、负压压力、模压压力呈正相关关系,相对介电常数与搅拌速度、悬浮液固含量、负压压力、模压压力呈正相关关系,介质损耗与搅拌速度、模压压力、负压压力呈反相关关系。烧结制度中的保温时间过长和烧结温度过高都容易导致PTFE的分解,从而增大气孔率,降低致密度,进而增加基板的介质损耗,过短过低又容易导致烧结不充分,致密度不够,气孔率较高而增加基板的介质损耗。降温速率越小基板中PTFE的结晶度越大,其抗弯曲强度越大。以无水乙醇作为分散介质,工艺优化得到最佳工艺参数为搅拌速度为8000r/min,搅拌时间为100s,悬浮液的固含量为45wt%,负压大小为0.09MPa,模压压力为65MPa,烧结温度为370℃,保温时间为120min。制备得到精度高(厚度公差为0.036mm)、12GHz频率的相对介电常数(εr)为2.7、介质损耗角正切值(tanδ)为0.0022、吸湿率为0.74%的微波介质基板。采用表面活性剂的水溶液替代乙醇分散原料,考察吐温-80、十二烷基苯磺酸钠、乙氧基改性聚三硅氧烷三种表面活性剂的适用性。实验发现三者浓度为1.08×10-3g/ml、1×10-3g/ml、0.94×10-3g/ml时,对PTFE的接触角依次为64.6°、36.6°、31.2°。理论上可以自动润湿原料,实际润湿效果中三者皆可完全润湿原料,但吐温-80的润湿速度远慢于其他两者。三种表面活性剂在基板烧结温度下烧结120min残留率依次为8.7%、41.0%、1%,残留率越低,向基板引入杂质量越少。表面活性剂的浓度越大,制备得到微波介质基板的气孔率、吸湿率、介质损耗越大。以浓度为0.19×10-3g/ml的乙氧基改性聚三硅氧烷溶液作为分散介质,采用最佳工艺参数制备得到精度高(厚度公差为0.022mm)、12GHz频率的相对介电常数为2.6、介质损耗角正切值为0.002、吸湿率为0.8%的微波介质基板。
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