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文献速递:六方氮化硼对高频覆铜板聚苯醚树脂热性能和介电性能的影响

2022-03-05 03:51:53

伴随着5G时代的到来,具有高导热性、低介电损耗和高剥离强度的覆铜层压板(CCLs)已被广泛应用于印刷电路板(PCBs)的基材。本研究首次将六方氮化硼(hBN)引入覆铜板的聚合物绝缘填料(聚苯醚树脂,PPER)中,得到的CCLs具有可达1W/m·K高的热导率,介电损耗在4×103,可以用于高频应用,通过SiO2涂层对hBN的界面裁剪,使剥离强度提高到值1.1N/mm。本文获得的CCLs在热和介电性能方面具有突出的优势,具有较好的应用潜力。

该研究结果以“Effect of hexagonal boron nitride on the thermal and dielectric properties of polyphenylene ether resin for high-frequency copper clad laminates”为题发表在«Materials and Design»上。文章作者是河海大学葛梦妮硕士。

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 1 用于(a)制备hBN@SiO2粉末的实验程序和(b)CCLS的制备过程。


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 2 SiO2纳米粒子在hBN上的涂层过程(a)hBNhBN@ SiO2粉体的微观结构表征:(b) SEM图像,(c) XRD谱图,(d) FT-IR光谱,(e)粉体尺寸分布。

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 3 填料含量对CCLs热导率和热阻的影响

总体而言,添加hBNhbn@sio2填料可以明显提高PPER的导热系数。填充33 wt% hBN@ sio248 wt% hBNCCLs的导热系数分别达到0.639 W/m·K1.08 W/m·K。值得注意的是,当hBNhBN@SiO2填充量增加到63 wt%时,CCLs的热导率下降,另一方面,48 wt% hBN33 wt% hBN@ sio2PPER的热阻也分别降低到1.852 K/W0.883 K/W,这有利于CCLs在高频应用场合的快速散热。

当填料含量从0 wt%增加到48 wt%时,介质介电常数值开始增大,以48 wt% hBN填充CCLs的介电常数值达到值3.94,以33 wt% hBN@SiO2填充CCLs的介电常数值达到值3.78。在本研究中,由于Si-O链或其他未占据分子的存在,hBN上的sio2涂层略微降低了介电常数,但却意外地增加了介电损耗。尽管如此,图5HS-CCLs的介电损耗在频率的5 GHz下小于16×10−3,而H-CCLs的介电损耗为4.9×10−3,这与文献报道的相关复合材料相比具有很高的优势。


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 5 不同填充量对CCLs介电常数和介电损耗的影响


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 6 填料含量对CCLs破坏强度的影响


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 8 不同hBN@SiO2含量的CCLs的横截面(a) 0 wt% (b) 18 wt% (c) 33 wt% (d) 48 wt% (e) 63 wt% (f) hBN@SiO2的剥离样品

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 9 填料含量对CCLs (a)横向强度和(b)纵向强度的影响


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此外作者还研究了填料含量对CCLs的横纵向剥离强度、剥离横截面及吸水率的影响。

【总结】

综上所述,作者成功地制备了以hBN填充的PPER作为保温层的高性能CCLs,并进行了hBN的表面改性以提高CCLs的剥离强度。系统研究了hBN和hBN@SiO2填料含量对CCLs综合性能的影响。

(1) 实验证明,加入hBN或hBN@SiO2填料可以明显提高CCLs的导热系数,导热系数达到1 W/m·K以上。研究发现,Agari半经验模型能较好地反映HS-CCLs的导热行为,而考虑了SiO2涂层的界面热阻效应,提出了一种改进的二次模型来描述HS-CCLs的导热行为。

(2)发现在hBN上的SiO2涂层降低了介质介电常数,增加了介电损耗。但充满hBN或hBN@SiO2的CCLs即使在5 GHz的高测试频率下,介电常数也低于4.0。同时,介电损耗不高于0.016,明显低于文献中CCLs的介电损耗。

(3)虽然hBN掺入降低了CCLs的剥离强度,但hBN表面的SiO2改性明显减缓了下降趋势,值仍高达1.1 N/mm,比改性前提高了45.7%。

(4)由于SiO2的亲水性强于hBN, hBN@SiO2-CCLs的水吸附比高于hBN-CCLs。但当hBN浓度为小于30 wt%时,CCLs吸水率仍低于1 wt%。

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