随着手机以及卫星等信息通信技术向高速化、高频化和多功能化发展，无线网络、卫星通信和雷达使用的频率不断提高。传统的印刷电路板如环氧树脂/玻纤的介电性能较差、热膨胀较大，不适用于高频设计。设计和开发高频介质基板是未来基板领域研究的重点[1-5]。目前在高频段（1 GHz以上）多采用聚四氟乙烯(PTFE)、碳氢树脂等高分子聚合物作为高频介质基板的制备材料[6-7]。PTFE以其优秀的介电性能获得了更多的关注和青睐，PTFE的介电常数和介质损耗正切角相对较小[8]。由于PTFE刚性差、热膨胀系数较大，与铜箔不匹配，严重影响器件焊接的可靠性，同时为了解决在空间小且放热多的电路板中的耐热性问题，一般采用陶瓷粉等无机物填充，以提高PTFE树脂的刚性以及降低热膨胀系数[9]。Joseph等[10]采用填料Sr2ZnSi2O7填充PTFE以改善复合材料的电学性能和热学性能。研究表明：随着填料含量的增加，复合材料的热膨胀系数也得到改善。当填料含量为50%，PTFE/Sr2ZnSi2O7的介电常数为4.41，介质损耗为0.003，热膨胀系数为38.3×10-6/℃，热导率为2.1 W/(m·K)，吸水率为0.09%，性能优异。目前国内生产的PTFE覆铜板主要是低端产品，填料含量普遍较低，填料含量较高的PTFE复合浆料的重复浸渍工艺仍是研究的重点和难点。本实验针对填料含量高的PTFE/SiO2复合浆料的制备工艺和稳定性展开研究，并分析复合浆料对玻纤布浸渍效果的影响。1实验部分1.1主要原料浸渍用玻纤布，郑州佑安玻纤新材料有限公司；表面活性剂，非离子型，深圳市吉田化工有限公司；聚四氟乙烯(PTFE)浓缩分散液，固含量为60%，日本大金公司；SiO2陶瓷粉，介电常数3.8，纯度99%，连云港瑞创新材料科技有限公司。1.2仪器与设备立式上胶机，定制（无通用规格），南通凯迪自动机械有限公司；台式pH计，FE Plus，梅特勒托利多科技有限公司；旋转黏度计，LVDVS+，美国博勒飞公司；zeta电位测试仪，DT-300，美国分散科技仪器公司；刮板细度计，QXD-50，上海现代环境有限公司。1.3样品制备1.3.1复合浆料制备将一定量表面活性剂在去离子水中溶解后，按一定比例称量陶瓷粉，经高速分散设备在转速1 800~2 400 r/min、搅拌时长50~60 min的条件下充分分散均匀至目标细度。转移至低速搅拌设备在100~120 r/min下加入PTFE乳液，待搅拌均匀后得到复合浆料。1.3.2PTFE基复合介质基板制备将搅拌均匀的复合浆料调至目标黏度，经一定孔径的纱布过滤，得到待浸渍胶液，并倒入浸渍槽，玻纤布在胶液中浸渍烘干得到目标面重的浸渍片。根据浸渍片中不同树脂含量的要求，可以进行多次浸胶，将达到预定要求的浸渍片。将通过传统浸渍方法获得的浸渍片，按固定的尺寸裁切后叠层并在两侧覆铜，经烧结得到PTFE基复合介质基板。图1为PTFE基复合介质基板的制备流程。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.01.012.F001图1PTFE基复合介质基板的制备流程Fig.1Preparation process of PTFE-based composite dielectric substrate1.4性能测试与表征细度测试：单槽细度板，量程范围0~50 μm。黏度测试：62#转子，转速60 r/min。pH测试：采用台式pH计进行测试，分辨率0.01。zeta电位测试：最小样品量2 mL，测量范围无限制，可低至0.1 mV。浆料稳定系数(DC)：量取一定体积(V1)的均匀浆料，称质量记为M1；在烧杯中静置10 min后，再称取一定体积(V2)的浆料，称质量记为M2；计算静置前后的浓度比，得到浆料DC=(M2/V2)/(M1/V1)。重复操作，取三组数据的平均值为最终DC值。2结果和讨论2.1平均粒径对复合浆料稳定性的影响对于填料含量较高的复合浆料，浆料中颗粒的平均粒径（即细度）可以反映浆料的分散水平和稳定性。目前通常采用乳化头分散复合浆料，图2为复合浆料颗粒在不同转速下细度随时间的变化。从图2可以看出，当转速越大，颗粒细度减小程度越大。因为转速越大，提供的剪切力越大，产生更多的能量将团聚的填料进行剪切、粉碎并发散。但是提供足够的能量后，细度几乎不再变化。在转速1 800~2 400 r/min、搅拌时长50~60 min的条件下，搅拌效果最好，浆料颗粒细度控制在10~15 μm。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.01.012.F002图2复合浆料颗粒在不同转速下细度随时间的变化Fig.2Change of fineness of composite slurry particles with time at different rotation speeds复合浆料的分散状态直接影响浸渍片的表观质量。分散不良可导致细度较大的浆料颗粒在浸渍过程中更容易在玻纤布与辊轮之间发生较大摩擦，客观上更容易破坏PTFE基复合浆料的稳定性，造成浸渍片的表观缺陷。分散良好的复合浆料稳定性相对更好，沉降速度相对缓慢。2.2zeta电位对复合浆料稳定性的影响对PTFE基复合浆料的稳定性，一般分为化学稳定性和机械稳定性两方面，通常采用测试浆料的zeta电位确定其化学稳定性。zeta电位是表征胶体分散系稳定性的重要指标，可衡量颗粒之间相互排斥或吸引力的强度。分子或分散粒子越小，zeta电位的绝对值越高，体系越稳定；反之，zeta电位的绝对值越低，表明分子或分散粒子越倾向于凝结或凝聚，从而分散被破坏[11]。浆料在日常使用过程中，通过添加醋酸调整浆料的pH值和黏度。图3为复合浆料在不同pH条件下的黏度和zeta电位值。从图3可以看出，复合浆料中由于含有PTFE乳液，初始pH值呈碱性。因为PTFE乳液选用阴离子和非离子表面活性剂作为稳定剂[12-13]，该类稳定剂在碱性条件下能够更稳定地发挥作用，可增进乳液的润湿性，防止其凝聚破坏，在碱性条件下抑制微生物生长，更有利于长时间保存。复合浆料pH值由碱性转为酸性，zeta电位绝对值不断减小，说明体系稳定性不断降低。因为当PTFE乳液pH值由碱性转成酸性时，水解的H+和阴离子层相互作用，使稳定剂包覆颗粒形成的吸附层变薄，减弱颗粒表面的吸附层相互之间产生的排斥作用，使得体系相对不稳定，因此zeta电位的绝对值不断减小。为了同时满足稳定性和调整浆料黏度的作用，复合浆料的pH值应控制在5.0~8.5之间。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.01.012.F003图3不同pH条件下复合浆料的黏度和zeta电位值Fig.3Viscosity and zeta potential of the composite slurry under different pH conditions2.3表面活性剂的作用2.3.1表面活性剂对复合浆料稳定性的影响对于复合浆料的黏度和稳定性，配方中表面活性剂的作用也不可忽略。复合浆料中另外添加表面活性剂，既提高了陶瓷粉的分散性，又提高了乳液的稳定性。这类表面活性剂的热稳定性差、易受热分解，不会对PTFE基复合介质基板产品的性能产生明显影响。采用机械法评价复合浆料的稳定性，在一定速率下对样品进行一定时间的搅拌或离心或循环泵抽送，观察样品是否分相，测试分相后澄清液的厚度或沉淀的质量，对其机械稳定性进行评价［14-16］。图4是不同表面活性剂浓度下浆料黏度以及过滤后固体物含量。从图4可以看出，随着表面活性剂浓度的增大，浆料的黏度也逐渐增大，过滤后固体物含量减少，浆料的稳定性不断提高。复合浆料具有良好稳定性才能够保证在蠕动泵循环抽送的过程中不发生破乳或团聚，循环流动的浆料既可以提高浸渍过程的均一性和稳定性，也可以避免气泡堆积而影响浸渍片的表面质量。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.01.012.F004图4不同表面活性剂浓度下浆料黏度以及过滤后固体物含量Fig.4Slurry viscosity and solid content after filtration at different surfactant concentrations通过静置观察法及对DC值的测试进一步表征浆料的稳定性，图5为不同表面活性剂用量对浆料稳定系数的影响。从图5可以看出，随着表面活性剂用量的增大，DC值不断增大，即浆料的稳定性不断提高。当表面活性剂用量为1.0%时，浆料黏度较低，DC值为92%，浆料稳定性较差。而当表面活性剂用量提高为3.0%，此时DC值为99.6%，说明浆料稳定性明显提高。表面活性剂的加入显著提高浆料黏度，影响浆料静置时沉降速度，提高浆料稳定性。因为表面活性剂是一类两亲性分子，同时含有亲水端和疏水端，疏水端能够很好地吸附在PTFE颗粒表面，避免与极性水分子接触；而亲水端通过与水分子的氢键作用在外层形成一层稳定的吸附层，对内部的疏水端产生保护作用。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.01.012.F005图5不同表面活性剂用量对浆料稳定系数的影响Fig.5Effect of different surfactant dosage on the stability coefficient of slurry图6为胶束网络结构的PTFE粒子的示意图[17]。从表6可以看出，表面活性剂以这种方式在溶液中可形成蠕虫状胶束网络结构，阻碍体系中颗粒的沉降速度，使得浆料黏度不断增大、稳定性提高。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.01.012.F006图6胶束网络结构的PTFE粒子的示意图Fig.6Schematic diagram of PTFE particles with micelle network structure2.3.2表面活性剂对上胶量的影响复合浆料的黏度和浸渍的上胶量有直接关系，而上胶量是影响基板性能的重要因素。表面活性剂通过影响复合浆料的黏度从而影响上胶量。表1为表面活性剂用量对胶液黏度以及浸渍片面重的影响。从表1可以看出，随着浆料黏度的增大，浸渍片的上胶量增大，表明高黏度和浓度的浆料有利于提高浸渍片上胶量。这是因为高黏度和浓度的浆料有利于固体物质附着并黏结在玻纤布上，使得浸渍片的面重更大。黏度过低的浆料不仅稳定性较差，也使得玻纤布的表面填充不足，影响浸渍片的表观质量。黏度过大的浆料也需注意胶液中气泡的及时排出，否则气泡严重时也影响浸渍片的表观质量。表面活性剂用量优选为3.0%时，浸渍片面重可达到113 g/m2。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.01.012.T001表1表面活性剂用量对胶液黏度以及浸渍片面重的影响Tab.1Effect of surfactant dosage on the viscosity of the glue and the weight of the impregnated sheet序号表面活性剂用量/%浆料黏度/（Pa‧s）浸渍片面重/（g·m-2）11.00.856721.50.907032.01.457742.52.209053.03.001132.4复合介质基板性能指标复合浆料pH值控制在5.0~8.5，表面活性剂用量为30%，在转速为1 800~2 400 r/min、搅拌时间为50~60 min的条件下，控制浆料颗粒细度在10~15 μm，此时复合浆料的稳定性最好。按上述工艺制备PTFE/SiO2复合浆料浸渍玻纤布，微波复合介质具有良好的介电性能和力学性能，满足高频微波电路板的使用要求，表2为主要性能指标。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.01.012.T002表2微波复合介质基板的主要指标Tab.2Main indexes of microwave composite dielectric substrate项目数值相对介电常数（10GHz）2.95损耗因子（10GHz）0.0010热膨胀系数/（10-6·℃-1）（-40~150 ℃）13/15/25剥离强度/（N·mm-1）（1oz，热应力后）1.5弯曲强度/MPa68/64吸水率/%0.033结论针对浸渍法制备PTFE基微波复合介质基板的工艺，填料含量较高的复合浆料的配制及其稳定性至关重要。稳定性良好的复合浆料才能够保证玻纤布的浸渍效果，从而影响最终基板的性能，对整个工艺流程起决定性影响。通过粒度测试和机械法等手段，研究平均粒径和zeta电位因素对复合浆料稳定性的影响，分析表面活性剂在浆料稳定性以及浸渍过程中的作用，得到了配制复合浆料时最佳的工艺条件。依据最佳工艺条件配制PTFE/SiO2复合浆料浸渍玻纤布，得到的微波复合介质基板具有良好的介电性能和力学性能，满足高频微波电路板的使用要求，对相关浸渍工艺中浆料的配制起指导性作用。