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微波陶瓷与硅树脂复合微波覆铜板的研制与应用

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摘要

Contents

第一章 绪论

1.1 前言

1.2 覆铜箔层压板的发展历程

1.3 覆铜板主要用树脂基体

1.3.1 环氧树脂(EP)

1.3.2 聚苯醚树脂(PPE或PPO)

1.3.3 聚酰亚胺树脂(PI)

1.3.4 双马来酰亚胺树脂(BMI)

1.3.5 聚四氟乙烯树脂(PTFE)

1.3.6 氰酸酯树脂(CE)

1.3.7 有机硅树脂

1.4 覆铜板用增强材料

1.4.1 开纤加工的玻纤布

1.4.2 新型极薄玻璃纤维布

1.4.3 低介电常数的玻纤布

1.4.4 高介电常数的玻纤布

1.5 覆铜板用填料

1.6 覆铜板用铜箔

1.7 微波覆铜板的技术性能要求

1.7.1 低介电常数微波覆铜板

1.7.2 高介电常数微波覆铜板

1.8 本论文的研究意义及主要内容

第二章 硅树脂基微波覆铜板的制备工艺及表征方法

2.1 引言

2.2 实验药品与仪器

2.2.1 实验药品

2.2.2 实验仪器

2.3 制备工艺

2.3.1 玻璃纤维布表面处理

2.3.2 浸胶液的配制

2.3.3 浸胶、干燥

2.3.4 裁剪、叠层

2.3.5 热压

2.3.6 冷却脱模

2.3.7 后处理

2.4 微带天线的制备方法

2.5 表征手段与测试方法

2.6 本章小结

第三章 玻璃纤维增强硅树脂介质复合板的结果与讨论

3.1 引言

3.2 玻璃纤维增强硅树脂介质复合板的制备方法

3.3 硅树脂性能测试结果

3.3.1 硅树脂热重分析结果

3.3.2 硅树脂红外表征结果

3.3.3 硅树脂粘度测定结果

3.3.4 硅树脂凝胶化时间测试结果

3.4 成型压力对硅树脂介质复合板性能的影响

3.4.1 成型压力对硅树脂介质复合板密度的影响

3.4.2 成型压力对硅树脂介质复合板吸水率的影响

3.4.3 成型压力对硅树脂介质复合板抗弯强度的影响

3.4.4 成型压力对硅树脂介质复合板介电性能的影响

3.4.5 硅树脂介质复合板显微形貌分析

3.5 后处理对硅树脂介质复合板介电性能的影响

3.6 本章小结

第四章 聚苯醚共混改性硅树脂介质复合板的结果与讨论

4.1 引言

4.2 聚苯醚共混改性硅树脂介质复合板的制备方法

4.3 聚苯醚性能测试结果

4.3.1 聚苯醚热重分析结果

4.3.2 聚苯醚红外分析结果

4.4 聚苯醚共混改性硅树脂介质复合板性能研究

4.4.1 热重分析与研究

4.4.2 FTIR表征与讨论

4.4.3 密度测量与分析

4.4.4 吸水率分析与讨论

4.4.5 抗弯强度测试与分析

4.4.6 介电性能结果与讨论

4.4.7 显微形貌观察与分析

4.4.8 聚苯醚共混改性硅树脂PCB板热压过程出现问题及解决办法

4.5 本章小结

第五章 微波陶瓷粉填充改性硅树脂介质复合板的结果与讨论

5.1 引言

5.2 高介电常数微波陶瓷粉的制备与测试

5.2.1 高介电常数微波陶瓷粉的制备方法

5.2.2 高介电常数微波陶瓷粉性能测试方法

5.3 高介电常数微波陶瓷粉的性能研究

5.3.1 烧结密度测量与讨论

5.3.2 物相结构分析与研究

5.3.3 显微形貌观察与分析

5.3.4 介电特性测试与讨论

5.3.5 陶瓷粉体粒径分布测试与分析

5.4 微波陶瓷粉填充改性硅树脂介质复合板性能研究

5.4.1 微波瓷粉填充改性硅树脂介质复合板的制备方法

5.4.2 热重分析与研究

5.4.3 FTIR表征与讨论

5.4.4 密度测量与分析

5.4.5 吸水率分析与讨论

5.4.6 抗弯强度测试与分析

5.4.7 介电性能结果与讨论

5.4.8 显微形貌观察与分析

5.5 本章小结

第六章 硅树脂基微波覆铜板在微带天线上的应用

6.1 引言

6.2 微带天线基板的制作方法及性能研究

6.3 微带天线的制作方法

6.4 微带天线仿真与实测结果

6.5 本章小结

第七章 总结与展望

7.1 结论

7.2 主要创新点

7.3 工作展望

参考文献

攻读硕士学位期间科研成果

致谢

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摘要

有机硅树脂的特殊结构使它兼具无机和有机化合物的特点,是一种具有优异综合性能的树脂。其具有较低的介电常数和较低的介质损耗因子,同时具有高的耐热性和低的吸水性,并且在宽广的温度和高频范围内介电性能稳定,可用作介电性能好、高频特性好、耐高温的印制电路板(PCB)基体树脂。为了实现更低介电常数和更低介质损耗因子的高速信息传输或者实现更高介电常数和低介质损耗因子的小体积微波电路,需要进行改性研究获得优良复合PCB材料。
  首先,针对有机硅树脂力学强度较差的问题,本论文从成型温度和压力等热压工艺条件入手,探究了E-1080玻璃纤维增强硅树脂介质复合板的制备工艺并探讨了其介电和力学等性能。结果表明,在温度为160℃,压力为8MPa下保温1h,可获得性能优良的介质复合板,其密度为1.38g/cm3,吸水率为0.150%,抗弯强度为156.63MPa,介电常数为3.05,介质损耗因子为0.0134,并且热压成型后的介质复合板经60℃保温8h介电性能可进一步得到改善。
  其次,为了进一步降低有机硅树脂的介电常数和介质损耗因子,本论文通过在硅树脂胶液中共混不同含量的聚苯醚树脂,研究了聚苯醚共混改性硅树脂介质复合板的性能。研究发现在聚苯醚含量达到15wt%时,可以得到良好的综合性能:密度为1.37g/cm3、吸水率为0.146%、抗弯强度为190.00MPa、介电常数为2.88、介质损耗因子为0.0072。同时,当聚苯醚含量小于15wt%时,聚苯醚可以均匀分散在硅树脂基体中;而当聚苯醚含量大于25wt%时,聚苯醚与硅树脂相分离严重。根据经验公式εr=-0.096×exp(X/22.093)+3.073,相关度R2为0.998和经验公式tanδ=0.009×exp(-X/16.557)+0.005,相关度R2为0.997,能较好的预测该工艺下聚苯醚共混改性硅树脂介质复合材料的介电常数和介质损耗因子。
  同时,为了获得高介电常数低介质损耗因子的介质复合板,本论文采用传统固相法制备高介微波陶瓷粉体,讨论了烧结温度对高介微波陶瓷的影响,并通过粉碎、球磨等工艺获得高介微波陶瓷粉体,表征了其粒径大小和分布,最后在硅树脂中填充不同含量的高介微波陶瓷粉体,探讨微波陶瓷粉填充改性硅树脂介质复合板的性能。结果表明,在烧结温度为1250℃×3h时,高介微波陶瓷晶粒大小均匀,致密度高,介电性能优异,其介电常数为101,Q×f值为42900GHz,τf为378ppm/℃;选用烧结温度为1250℃×3h的陶瓷经粉碎、球磨、除铁、过筛得到的高介微波陶瓷粉体粒径分布较窄,D50值为8.77μm。研究发现,随着高介微波瓷粉填充量的增加,填充改性硅树脂介质复合板密度、吸水率、介电常数和介质损耗因子逐渐增大,抗弯强度逐渐降低。在高介微波瓷粉填充量为80wt%时,介质复合板的密度为2.45g/cm3,吸水率为0.170%,抗弯强度为94.65MPa,介电常数为14.07,介质损耗因子为0.0147。根据介电常数经验公式εr=0.725×exp(X/28.100)+1.853,相关度R2为0.993和介质损耗因子经验公式tanδ=1.013×10-4×X+0.007,相关度R2为0.988,能够较好的预测该工艺下微波陶瓷粉填充改性硅树脂介质复合板的介电性能。
  最后,以自制的高介硅树脂基微波覆铜板为基板材料,制作微带天线。探讨了微带天线的频点、带宽及回波损耗等性能。结果表明:通过在硅树脂中添加68wt%高介微波瓷粉制备得到介电常数为9.65±0.05,介质损耗因子0.0145±0.005的天线基板材料。制备的北斗卫星平面微带天线具有较好的S11性能,实测的带宽及回波损耗结果与仿真结果基本符合,但由于制作过程中存在一定的工差,导致实测的中心频点比仿真结果大。

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