應用于天線的高介電常數聚合物基覆銅板
Pape r Code:A-041
顏善銀蘇民社殷衛峰
廣東生益科技股份有限公司
摘要近年來，由于無線通信的快速發展，使無線通信成為生活的必需。天線負責電路與空
氣中電磁能量的轉換，為通信系統中不可或缺的基本設備。隨著電子產品輕、薄、短、
小的發展趨勢，電子產品中元器件的設計也要朝此趨勢發展。當前業界對于天線設計
的重點在于小型化、結構簡單化及多頻或寬帶。采用陶瓷作為基板制作小型化天線已
經是眾所周知，然而，陶瓷的不足之處是它易碎，并且有較高的制作成本，因為它必
須使用燒結的方法來制備。高介電常數聚合物基覆銅板由于具有易加工、低溫成型、
低成本和優異的機械性能，已經引起了人們的廣泛關注。本文對高介電常數聚合物基
覆銅板的設計與制作進行了簡要概述。
關鍵詞高介電常數；覆銅板；天線
中圖分類號：TN41文獻標識碼：A文章編號：1009-0096（2012）增刊-0044-05
High dielectric constant polymer bad copper
clad laminate for antenna application
Y AN Shan-y in SU M in-she Y IN W ei-feng
Abst rac t Due to the rapid development of wireless communication technology in recent years,wireless communication has become an esntial part of modern life.The antenna is ud for electromagnetic energy conversion between the circuit and the air,and is an indispensable piece of basic equipment for communication systems.With the trend of electronic products becoming light,thin,short,and small,the components for electronic products must also consider this trend in design.Current antenna design is focusing on miniaturization,structure simpli cation,and multi-band o
r broadband.An antenna employing ceramics as a substrate has also been known as the small-sized antenna.However,the ceramics is disadvantageous in that it can be easily broken and has a high manufacturing cost since it has to be fabricated using sintering.High dielectric constant polymer bad copper clad laminate have drawn much attention due to their easy fabrication,low temperature process,low cost and excellent mechanical properties.The design and fabrication of high dielectric constant polymer bad copper clad laminate were reviewed in this paper.
Key wo rd s High Diele ctric Consta nt;Coppe r Clad La minate;A ntenna
1前言
無線通信技術是通過電磁波的輻射來完成。電磁波的產生，基本上是電場與磁場的變化過程，將能量以波
的方式在空間中傳遞，而天線的存在提供了電場變化的環境。無線通信設備的設計逐年變得復雜。無線通信設備為具有無線通信功能的電子設備，包括無線終端[例如移動電話、智能手機、個人數字助理（PDA）、個人計算機（PC）和全球定位系統（GPS）終端]，并包括無線通信應用裝置，例如無線通信卡（PCMCIA卡）。在無線通信設備內部設有接收無線電波的天線。
隨著微小衛星的迅猛發展和移動通信產品市場需求的日益膨脹，只有那些體積小，攜帶方便，高靈敏度，高穩定性的無線通信產品才能滿足需求。目前微電子、微機械等新興微加工技術的發展，使得不僅是數字、基帶電路模塊，甚至連射頻模塊也已成功地實現了微型化、芯片化的設計和生產。與此同時，天線作為重要的射頻前端器件，其指標要求也日益苛刻，小型化、內置化、多頻段、智能化是移動終端小天線的發展趨勢。目前，天線小型化的主要方法包括采用特殊介質基片、加載短路探針、表面開槽、附加有源網絡、采用特殊的微帶貼片形式等方案。其中，一種最常用的方法就是采用高介電常數的介質基片來減小天線尺寸。目前高介電常數的介質基片用得最多、最廣的主要有高介電陶瓷基板和高介電常數聚合物基覆銅板。下文簡要介紹這兩種高介電常數的介質基板在天線中的應用，重點介紹高介電常數聚合物基覆銅板的設計與制作。
2高介電陶瓷基板在天線中的應用
由于陶瓷材料有較高的介電常數，在小型化天線中的應用比較廣泛。孫曉瑋等[1]采用介電常數ε≥38的高均勻性陶瓷基片，制作成一種高介電常數圓極化小型超高頻天線；龔成等[2]采用高介電常數材料來制作天線基板，基板材料采用陶瓷類材料，其介電常數可達20，使天線體積大大減小；游佰強等[3]采用9層介電常數漸變的陶瓷基板材料，介電常數依次為12、13、14、15、16、15、14、13、12，制成了一種偶極子天線，尺寸小，帶寬大，輻射特性好；脈沖芬蘭有限公司的專利[4]采用介電常數為35的陶瓷介質基板，制成了一種適合小尺寸無線電設備的電介質天線，天線部件尺寸是7mm×1.6mm×1.6
mm；游佰強等[5]采用介電常數為20的陶瓷介質基板，制成了一種用于衛星定位系統的小型化圓形縫隙微帶貼片天線，介質基板的長度為36.0mm±0.1mm，寬度為36.0mm±0.1mm，厚度為2.0mm±0.1mm；日本富士通株式會社的專利[6]采用介電常數約為10的陶瓷材料制成了一種可以實現尺寸縮小的天線裝置。
3高介電常數聚合物基覆銅板在天線中的應用
雖然陶瓷材料具有較高的介電常數，但陶瓷材料存在易碎、加工困難、機械性能差等弊端，在制備陶瓷材料時需要高于500℃以上甚至1100℃的溫度進行燒結[7][8]，對設備和操作環境要求都很高。以高介電常數陶瓷填充聚合物得到的高介電常數聚合物基覆銅板，結合了陶瓷和聚合物各自的優點，可以同時具有介電常數高、易加工等優良性能，成型溫度不超過200℃，同時具有非常好的機械性能，已經被應用于小型化天線的制備中。
RYOU Byung Hoon等[9]采用含聚苯硫醚（PPS）的高介電常數聚合物基覆銅板，制作成了一種小型天線，介電材料的介電常數為20~25。卓威明等[10]采用一種高介電常數的基板材料制作成天線，基板材料為有機材料基板，借助高介電常數材料的使用，可以縮小天線面積，節省材料成本并減少組裝成本，高介電常數基板還可以縮小微波輻射波長，達到天線小型化的目的。日本古河電氣工業株式會社的專利[11]采用高介電常數材料構成的電介質層挾持著低介電常數材料構成的中央電介質層，發明了一
種小型天線。其中，使用PEI（聚醚酰亞胺）或LCP（液晶聚合物）等樹脂來作為中央的低介電常數材料，將混合了陶瓷的PPS樹脂用于外層的高介電常數材料，高介電常數材料的介電常數為18.2，天線的尺寸是28.5mm×7.5mm×3mm。日本NTN株式會社的專利[12]采用在乙丙橡膠彈性體中配入高介電陶瓷粉末形成的高介電彈性體為天線主體，通過在其上粘接施加了鍍敷處理的銅箔作為電極，制成一種電介質天線，由于介電常數高，可以達到天線的小型化。
4高介電常數聚合物基覆銅板的設計與制作
高介電常數聚合物基覆銅板的設計主要從填料和聚合物兩個方面著手，在保證覆銅板綜合性能的前提下，
考慮直接影響天線尺寸的基板介電常數，由于印制天線的尺寸與基板的相對介電常數成反比，所以要選用具有高介電常數的介質基板來減小天線尺寸，但在確保低剖面結構的情況下，過高的介電常數會激勵出較強的表面波，表面損耗較大，使增益減小，直接降低天線的輻射效率，所以需要權衡選擇基板的相對介電常數。
在高頻領域的電波，要求電子器件的能量損失或輸送損失小。輸送損失作為熱能量在電子器件中被消耗，成為電子器件發熱的原因。輸送損失通常用下式：
輸送損失=系數×頻率×（介電常數）1/2×介電損耗角正切
表示，所以為了降低輸送損失，需要使介電常數、介電損耗角正切變小。這也說明了天線用覆銅板的介電常數并不是越高就越好，滿足天線小型化的要求即可，同時要保證覆銅板的介電損耗要小，降低輸送損失。
高分子聚合物當中，除少數材料外，其介電常數通常較低。為了達到一定的介電常數，通常要在聚合物中添加功能填料，功能填料是決定聚合物基復合材料介電性能的關鍵組分。目前用作高介電聚合物基復合材料中的功能填料主要包括鐵電陶瓷、金屬導體、無機導體、有機半導體等[13]。在高介電常數聚合物基覆銅板中使用最多的填料還是電介質陶瓷，一些電介質陶瓷的介電常數和Q值（介電損耗角正切的倒數）見表1，表中介電常數和Q值是利用電介質共振器法在千兆Hz帶測定的值。Q值越大則介電損耗就越小，所以在選擇使用電介質陶瓷的時候，保證介電常數滿足使用要求的前提下，應該優選Q值大的電介質陶瓷作為填料。從表1中可以看出，以TiO2、CaTiO3、SrTiO3、BaNd2Ti5O14、BaNd2Ti4O12、Bi2O-BaO-Nd2O3-TiO2系、PbO-BaO-Nd2O3-TiO2系、(Bi2O3-PbO)-BaO-Nd2O3-TiO2系、BaO-CaO-Nd2O3-TiO2、BaO-SrO-Nd2O3-TiO2為主要成份的電介質陶瓷粉末，具有較高的介電常數，同時Q值也較高。BaTiO3雖然具有非常高的介電常數，但是Q值偏低，盡管如此，BaTiO3在制備高介電常數聚合物基覆銅板中還是用得比較多。
表1一些電介質陶瓷的介電常數和Q值
在降低聚合物基覆銅板的介電損耗上，除了盡量選擇Q值高的填料外，還可以從聚合物方面考慮，盡量選擇介電損耗比較低的聚合物。覆銅板中常用的低介電損耗的樹脂有聚苯醚（PPO）樹脂、雙馬來酰亞胺（BMI）樹脂、氰酸酯（CE）樹脂、活性酯類樹脂等。
聚苯醚（PPO）是一種綜合性能優良的熱塑性樹脂，介電損耗約0.0007。劉軍[14]采用聚苯醚樹脂體系，同時采用金紅石型TiO2復合陶瓷粉材料作為介電常數調節劑，研制開發出了介電常數為6.23（9.37GHz），介質損耗因數為0.0014（9.37GHz）的覆銅板。
李小蘭[15]采用自制的溴化環氧樹脂、BMI型聚酰亞胺、氰酸酯樹脂三種有機樹脂（樹脂的介電性能見表2）、鈦酸鋇陶瓷粉（在1300℃的隧道爐中燒結兩個小時，相對介電常數在4000左右）及分散劑、溶劑等配成一定粘度的膠粘劑，用50g/m2的玻璃纖維無紡布浸膠后，在一定的條件下烘干制作成粘結片，雙面用35m銅箔，在4.9MPa（50kg/cm2）的單位壓力下進行熱壓成型，壓制溫度170℃~175℃，保溫2h。采用三種樹脂制作的高介電常數覆銅板性能見表3。
表2常見有機樹脂的介電性能
表3高介電常數覆銅板檢測結果
日本TDK株式會社的專利[16]采用環氧樹脂、活性酯類化合物、多芳基化合物為主體樹脂，以BaNd2TiO4系電介質陶瓷粉末和Ba2Ti9O20系電介質陶瓷粉末為功能填料，加入阻燃劑、固化促進劑、表面處理劑和有機溶劑，進行攪拌直到完全溶解、分散，得到糊狀物，使用刮刀將糊狀物涂布在18m電解銅箔或50m的PET薄膜上，進行50℃/10min＋120℃/10min的干燥處理，得到的樹脂組合物的厚度為50m。將12塊該樹脂組合物重疊，通過高溫真空壓機壓制成型，在以2℃/min的速度從30℃升溫到150℃后、保持60min后、以3℃/min的速度升溫到190℃、保持60min的溫度曲線，3MPa的壓力、0.004MPa（30torr）以下的真空度的條件下進行壓制。壓制后得到的樹脂組合物的固化物的厚度為500m。部分實施例覆銅板的介電性能見表4，可見所得覆銅板的介電常數較高，并且介電損耗非常低。
表4部分實施例覆銅板的介電性能
5結語
高介電常數聚合物基覆銅板所用樹脂和填料的種類及其繁多，制作方法也是多種多樣，有的使用玻纖布作為增強材料或者用其他類型的增強材料，有的沒有使用增強材料。高介電常數聚合物基覆銅板具
有優異的機械性能，并且易加工、低溫成型、低成本，有非常廣泛的應用前景，尤其在天線方面的應用，有望取代或者部分取代陶瓷基板。
參考文獻
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作者簡介
顏善銀，工程師，從事電子電路基材的研發工作,E-mail:**************。
蘇民社，高級工程師，從事電子電路基材研發及相關管理工作,E-mail:*************
