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

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4×10⁻³，可以用于高频应用，通过SiO2涂层对hBN的界面裁剪，使剥离强度提高到最大值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（见文后原文链接）。文章第一作者是河海大学葛梦妮硕士。

【图文解析】

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

作者首先用SiO₂进行hBN表面涂层(hBN@SiO₂)，上图a展示了制作hBN@SiO₂ 的实验步骤示意图，其简要描述如下:首先将50 g hBN颗粒放入800 mL乙醇溶液中超声分散20 min，然后倒入三颈烧瓶中。在三颈烧瓶中加入60 mL氨水和125 mL去离子水，水浴磁力搅拌2 h，然后在50℃下将100 mL正硅酸乙酯(TEOS)缓慢滴入三颈烧瓶中，搅拌一段时间。然后将粉体抽滤，在120℃的鼓式风干箱中干燥48h后，在hBN表面成功涂覆约30 wt%的SiO₂。

图b展示了CCLs的制备过程，首先将hBN或填料通过高速机械搅拌将其均匀分散在聚苯醚树脂(PPER)、交联剂、二甲苯混合胶液中。然后将玻璃纤维布浸入树脂胶液中，抽出挥发二甲苯。将获得的复合板材料切成片，整齐地放置在铜箔之间，然后在真空热压机上进行压制得到CCLs。

图 2 SiO₂纳米粒子在hBN上的涂层过程(a)及hBN和hBN@ 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。

图 3 填料含量对CCLs热导率和热阻的影响

图 4 不同CCLs的对数热导率

图 5 不同填充量对CCLs介电常数和介电损耗的影响

总体而言，添加hBN或hbn@sio2填料可以明显提高PPER的导热系数。填充33 wt% hBN@ sio2和48 wt% hBN的CCLs的最大导热系数分别达到0.639 W/m·K和1.08 W/m·K。值得注意的是，当hBN或hBN@SiO2填充量增加到63 wt%时，CCLs的热导率下降，另一方面，48 wt% hBN和33 wt% hBN@ sio2的PPER的热阻也分别降低到1.852 K/W和0.883 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的介电常数值达到最大值3.94，以33 wt% hBN@SiO2填充CCLs的介电常数值达到最大值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5中HS-CCLs的最高介电损耗在更高频率的5 GHz下小于16×10⁻³，而H-CCLs的最高介电损耗为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。

图 6 填料含量对CCLs破坏强度的影响

图 7 填料含量对CCLs (a)剥离强度和(b)剥离过程的影响

图 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

图 9 填料含量对CCLs (a)横向强度和(b)纵向强度的影响

表格 1 不同hBN和hBN@SiO2含量的CCLs 的吸水率。

    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，最大导热系数达到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，最大值仍高达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%。

全文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0264127519304666

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