埋嵌电容用复合介电材料与埋嵌电容覆铜板及其制备方法
【专利摘要】埋嵌电容用复合介电材料与埋嵌电容覆铜板及其制备方法，属于印制电路板技术领域。所述埋嵌电容用复合介电材料，由树脂基体材料与一维线状或二维带状的铁电陶瓷材料复合而成；所述埋嵌电容覆铜板由所述埋嵌电容用复合介电材料两面覆铜而成。本发明通过在树脂基体中加入一维线状或二维带状结构的铁电陶瓷，增加树脂内铁电陶瓷之间的有效接触，使得铁电陶瓷在电容两极之间形成铁电陶瓷通路，从而在低铁电陶瓷含量下获得高介电的埋嵌电容介电材料。本发明能够在一定面积内实现更高的埋嵌电容，从而在小型化、轻薄化以及多功能化PCB应用中更具优势。
【专利说明】
埋嵌电容用复合介电材料与埋嵌电容覆铜板及其制备方法
技术领域
[0001]本发明属于印制电路板技术领域，涉及一种埋嵌电容用复合介电材料与基于该复合介电材料的埋嵌电容覆铜板及其制备方法。
【背景技术】
[0002]IC芯片中I/O接口数量和密度的不断增加，以及工作电压的不断减小，导致IC芯片I/o接口之间的信号干扰不断增加。为此，用于元件去耦，减少元件之间信号干扰的电容器在印制电路表面安装的数量不断增加。通常，PCB(Printed Circuit Board)电路对电容器的需求在所有元器件中数量最大。例如，目前典型的智能手机中电容器占有无源器件的比率超过50%。此外，大量电容器的表面贴装易在PCB电路中产生寄生电容或寄生电感，这严重阻碍了 PCB向小型化、轻薄化以及多功能化方向发展的趋势。
[0003]将电容器集成到PCB的内部，制作成薄膜埋嵌电容俨然已经成为PCB向小型化、轻薄化以及多功能化方向发展的有效途径。在印制电路使用过程中，需在介电材料上覆铜，形成埋嵌电容覆铜板。目前，典型埋嵌电容覆铜材料有Sanmina-SCI的BC 2000系列(50μπι厚，电容密度78pF/cm2)、0ak-Mitsui的FaradFlex BC12TM(12ym厚，电容密度700pF/cm2，介电常数为 10)和 BC16T(16ym 厚，电容密度 1700pF/cm2，介电常数为 30)、DuPont 的 HK 11(4?25μπι厚，电容密度698pF/cm2，介电常数为11)、以及3M的C-Ply系列(14μπι厚，电容密度780?4650pF/cm2，介电常数为15?23)。这类埋嵌电容覆铜板的介电层材料主要使用颗粒状的铁电陶瓷与树脂进行复合制作而得。
[0004]为节约PCB的面积，埋嵌电容占据的面积不能太大，通常小于1cm2。因此，使用现有覆铜埋嵌电容材料制作埋嵌电容器，其容值一般不超过10nF。而据Prismark统计，印制电路中电容器的容值范围主要集中在I?100nF之间，其中又属100?100nF的电容器用量最大。显然，现有的覆铜埋嵌电容材料是无法在有限的面积内实现更大的电容值，因此，开发高介电、低损耗的覆铜埋嵌电容介电材料就成为了市场急需。
[0005]本发明通过在树脂基体中复合一维线状的铁电陶瓷材料，增加树脂体系内铁电陶瓷之间的有效接触，从而在铜电极之间形成铁电陶瓷通路，提高埋嵌电容介电层的介电常数。该铁电陶瓷一树脂复合埋嵌电容介电材料具有介电常数高、介电损耗低等优点，适合在印制电路中制作薄膜埋嵌电容器。
【发明内容】
[0006]本发明提供了一种埋嵌电容用复合介电材料与埋嵌电容覆铜板及其制备方法。通过在树脂基体中加入一维线状的铁电陶瓷形成电容介质材料，增加树脂内铁电陶瓷之间的有效接触，使得铁电陶瓷在电容两极之间形成铁电陶瓷通路，使得介质材料在低铁电陶瓷含量下获得高介电常数和更低的介电损耗;基于该复合介电材料的覆铜板由于具有更高的介电常数，能够在一定面积内实现更高的埋嵌电容，从而使得PCB向小型化、轻薄化以及多功能化的发展方向上更进一步。
[0007]本发明技术方案如下:
[0008]埋嵌电容用复合介电材料，由树脂基体材料与一维线状或二维带状的铁电陶瓷材料复合而成;其中，所述树脂基体材料为酚醛树脂系、环氧树脂系、聚酰亚胺系、聚酯系、氰酸酯树脂系、液晶高分子系、聚苯醚树脂系或聚四氟乙烯树脂系中的一种或它们之间的二元或多元混合物;所述一维线状或二维带状的铁电陶瓷材料的质量半分比含量低于树脂基体材料的质量半分比含量(通常所述一维线状或二维带状的铁电陶瓷材料的质量半分比含量不超过20% )。
[0009]进一步地，所述铁电陶瓷材料为钛酸钡、钛酸锶、钛酸锶钡、钛酸钙钡、钛酸锆钡或钛酸锡钡中的一种或它们之间的二元或多元混合物。
[0010]埋嵌电容覆铜板，包括介质材料层和覆盖于所述介质材料层两面的金属铜层，其特征在于:所述介质材料层由树脂基体材料与一维线状或二维带状的铁电陶瓷材料复合而成;其中，所述树脂基体材料为酚醛树脂系、环氧树脂系、聚酰亚胺系、聚酯系、氰酸酯树脂系、液晶高分子系、聚苯醚树脂系或聚四氟乙烯树脂系中的一种或它们之间的二元或多元混合物;所述一维线状或二维带状的铁电陶瓷材料的质量半分比含量低于树脂基体材料的质量半分比含量(通常所述一维线状或二维带状的铁电陶瓷材料的质量半分比含量不超过20%)0
[0011 ]进一步地，所述铁电陶瓷材料为钛酸钡、钛酸锶、钛酸锶钡、钛酸钙钡、钛酸锆钡或钛酸锡钡中的一种或它们之间的二元或多元混合物。
[0012]埋嵌电容覆铜板的制备方法，其特征在于，包括以下步骤:
[0013]步骤1:制备埋嵌电容用复合介电材料;将一维线状或二维带状的铁电陶瓷材料均匀分散(具体分散方法可采用球磨或超声分散方法)于液相树脂基体材料中；其中，所述树脂基体材料为酚醛树脂系、环氧树脂系、聚酰亚胺系、聚酯系、氰酸酯树脂系、液晶高分子系、聚苯醚树脂系或聚四氟乙烯树脂系中的一种或它们之间的二元或多元混合物;所述一维线状或二维带状的铁电陶瓷材料的质量半分比含量低于树脂基体材料的质量半分比含量(通常所述一维线状或二维带状的铁电陶瓷材料的质量半分比含量不超过20% );
[0014]步骤2:制备埋嵌电容覆铜板;具体采用电镀工艺或层压工艺实现；
[0015]所述电镀工艺为:首先将步骤I所得埋嵌电容用复合介电材料固化形成复合基板，然后在所述复合基板两面形成铜的导电种子层，再通过电镀方法在复合基板两面加厚铜至设计厚度，得到埋嵌电容覆铜板；
[0016]所述层压工艺为:首先将步骤I所得埋嵌电容用复合介电材料填充于两层铜箔之间，然后在层压机中进行层压固化，得到埋嵌电容覆铜板。
[0017]进一步地，所述铁电陶瓷材料为钛酸钡、钛酸锶、钛酸锶钡、钛酸钙钡、钛酸锆钡或钛酸锡钡中的一种或它们之间的二元或多元混合物。
[0018]本发明提供的埋嵌电容用复合介电材料，没有采用树脂基体材料与颗粒状铁电陶瓷材料相复合，而是采用树脂基体材料与一维线状或二维带状的铁电陶瓷材料相复合，使得基于所述埋嵌电容用复合介电材料的埋嵌电容覆铜板有效增加了树脂内铁电陶瓷之间相互接触的几率，能够在电容两极之间形成铁电陶瓷通路(如图1中附图标记4所示)，使得介质材料在低铁电陶瓷含量下获得高介电常数和更低的介电损耗。其核心机理可解释为:本发明提供的埋嵌电容覆铜板，其等效电路相当于低介电常数的树脂基体材料(介电常数通常位于4?6之间)与两面铜层形成的小电容和高介电常数的铁电陶瓷材料(介电常数可高达数万)与两面铜层形成的大电容并联的结构，这个并联的电容结构其总的电容值取决于高介电常数的铁电陶瓷材料与两面铜层形成的大电容，而低介电常数的树脂基体材料与两面铜层形成的小电容则可忽略不计。
[0019]综上，本发明提供的埋嵌电容复合介电材料及埋嵌电容覆铜板，由于具有更高的介电常数和更低的介电损耗，能够在一定面积内实现更高的埋嵌电容，从而在小型化、轻薄化以及多功能化PCB应用中更具优势。
【附图说明】
[0020]图1为本发明提供的埋嵌电容覆铜板剖面结构示意图。其中:I一覆铜层;2—树脂；3 一铁电陶瓷;4 一铁电陶瓷介电通路。
【具体实施方式】
[0021 ]以下结合【具体实施方式】对本发明进行进一步说明。
[0022]实施例一
[0023]将直径为0.5?1.Ομπι，长度为3?ΙΟμπι的一维线状钛酸钡均匀混合到环氧树脂原液中，放置到150°C的干燥箱中进行固化(时间为30min)，得到钛酸钡铁电陶瓷一树脂的复合埋嵌电容介电材料。通过模具图形制作成方形片状结构。通过化学镀铜的方法在埋嵌电容介电材料上制作一层导电种子层，然后进行电镀，加厚到约为20μπι，得到钛酸钡一树脂复合埋嵌电容覆铜板。
[0024]使用LCR测试埋嵌电容覆铜板的介电常数和介电损耗。当棒状钛酸钡的含量为1wt %时，钛酸钡一树脂复合埋嵌电容介电材料的介电常数为12201OOkHz，介电损耗为0.0160100kHz。
[0025]实施例一
[0026]将直径为0.1?0.3μπι，长度为10?50μπι的一维线状钛酸钡均匀混合到环氧树脂原液中。将复合材料原液涂覆到铜箔表面，涂覆完后在其表面上再覆盖一层铜箔，放置到层压机中进行层压，得到钛酸钡一树脂复合埋嵌电容覆铜板。
[0027]使用LCR测试埋嵌电容覆铜板的介电常数和介电损耗。当线状钛酸钡的含量为1wt%时，钛酸钡一树脂复合埋嵌电容介电材料的介电常数为3460100kHz，介电损耗为
0.0130100kHz。
[0028]本领域技术人员结合本领域公知常识，应当知道，本发明提供的埋嵌电容用复合介电材料及埋嵌电容覆铜板，其中树脂基体材料不限于实施例中所述的环氧树脂，铁电陶瓷材料也不限于实施例中所述的钛酸钡。其中，所述树脂基体材料可以是酚醛树脂系、环氧树脂系、聚酰亚胺系、聚酯系、氰酸酯树脂系、液晶高分子系、聚苯醚树脂系或聚四氟乙烯树脂系中的一种或它们之间的二元或多元混合物;所述铁电陶瓷材料可以是钛酸钡、钛酸锶、钛酸锶钡、钛酸钙钡、钛酸锆钡或钛酸锡钡中的一种或它们之间的二元或多元混合物。其中，树脂基体材料百分比含量多于铁电陶瓷材料百分比含量的限定主要考虑的是树脂基体材料更易于与金属铜层相结合(相当于将树脂基体材料作为主要基体而将铁电陶瓷材料作为主要功能填充材料)。
【主权项】
1.埋嵌电容用复合介电材料，由树脂基体材料与一维线状或二维带状的铁电陶瓷材料复合而成;其中，所述树脂基体材料为酚醛树脂系、环氧树脂系、聚酰亚胺系、聚酯系、氰酸酯树脂系、液晶高分子系、聚苯醚树脂系或聚四氟乙烯树脂系中的一种或它们之间的二元或多元混合物;所述一维线状或二维带状的铁电陶瓷材料的质量半分比含量低于树脂基体材料的质量半分比含量。2.根据权利要求1所述的埋嵌电容用复合介电材料，其特征在于，所述一维线状或二维带状的铁电陶瓷材料的质量半分比含量不超过20%。3.根据权利要求1或2所述的埋嵌电容用复合介电材料，其特征在于，所述铁电陶瓷材料为钛酸钡、钛酸锁、钛酸锁钡、钛酸1丐钡、钛酸错钡或钛酸锡钡中的一种或它们之间的二元或多元混合物。4.埋嵌电容覆铜板，包括介质材料层和覆盖于所述介质材料层两面的金属铜层，其特征在于:所述介质材料层由树脂基体材料与一维线状或二维带状的铁电陶瓷材料复合而成;其中，所述树脂基体材料为酚醛树脂系、环氧树脂系、聚酰亚胺系、聚酯系、氰酸酯树脂系、液晶高分子系、聚苯醚树脂系或聚四氟乙烯树脂系中的一种或它们之间的二元或多元混合物;所述一维线状或二维带状的铁电陶瓷材料的质量半分比含量低于树脂基体材料的质量半分比含量。5.根据权利要求4所述的埋嵌电容覆铜板，其特征在于，所述一维线状或二维带状的铁电陶瓷材料的质量半分比含量不超过20%。6.根据权利要求4或5所述的埋嵌电容覆铜板，其特征在于，所述铁电陶瓷材料为钛酸钡、钛酸锶、钛酸锶钡、钛酸钙钡、钛酸锆钡或钛酸锡钡中的一种或它们之间的二元或多元混合物。7.埋嵌电容覆铜板的制备方法，其特征在于，包括以下步骤: 步骤1:制备埋嵌电容用复合介电材料;将一维线状或二维带状的铁电陶瓷材料均匀分散于液相树脂基体材料中；其中，所述树脂基体材料为酚醛树脂系、环氧树脂系、聚酰亚胺系、聚酯系、氰酸酯树脂系、液晶高分子系、聚苯醚树脂系或聚四氟乙烯树脂系中的一种或它们之间的二元或多元混合物;所述一维线状或二维带状的铁电陶瓷材料的质量半分比含量低于树脂基体材料的质量半分比含量； 步骤2:制备埋嵌电容覆铜板;具体采用电镀工艺或层压工艺实现； 所述电镀工艺为:首先将步骤I所得埋嵌电容用复合介电材料固化形成复合基板，然后在所述复合基板两面形成铜的导电种子层，再通过电镀方法在复合基板两面加厚铜至设计厚度，得到埋嵌电容覆铜板； 所述层压工艺为:首先将步骤I所得埋嵌电容用复合介电材料填充于两层铜箔之间，然后在层压机中进行层压固化，得到埋嵌电容覆铜板。8.根据权利要求7所述的埋嵌电容覆铜板的制备方法，其特征在于，所述一维线状或二维带状的铁电陶瓷材料的质量半分比含量不超过20%。9.根据权利要求7或8所述的埋嵌电容覆铜板的制备方法，其特征在于，所述铁电陶瓷材料为钛酸钡、钛酸锶、钛酸锶钡、钛酸钙钡、钛酸锆钡或钛酸锡钡中的一种或它们之间的二元或多元混合物。
【文档编号】H05K3/02GK106009510SQ201610346287
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年5月23日
【发明人】周国云, 文娜, 何为, 王守绪, 詹龙龙, 王佐, 陈苑明
【申请人】电子科技大学