Патент на изобретение №2273969

(54) ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ МАТЕРИАЛ ДЛЯ ИЗДЕЛИЙ, РАБОТАЮЩИХ В СВЧ-ДИАПАЗОНЕ

(57) Реферат:

Изобретение относится к микроэлектронике, в частности к материалам, используемым для изготовления изделий, работающих в СВЧ-диапазоне, таких как, например, гибких электронных печатных плат, гибких печатных кабелей, гибких печатных катушек, индуктивности, конденсаторов и т.д. Технический результат заключается в технологичности и получении низких значений тангенса угла диэлектрических потерь. Сущность изобретения состоит в том, что материал имеет многослойную структуру, выполнен из отдельных тонких пленок, полученных из одного и того же материала одинаковым способом по существу равной толщины d<80 мкм. 2 ил.

Изобретение относится к микроэлектронике, в частности к материалам, используемым для изготовления изделий, работающих в СВЧ-диапазоне, таких как, например, гибких электронных печатных плат, гибких печатных кабелей, гибких печатных катушек, индуктивности, конденсаторов и т.д.

Известны диэлектрические материалы, используемые при изготовлении печатных плат на основе гетинакса, получаемого посредством горячей прессовки слоев бумаги, пропитанных бакелитом (см. ГОСТ 2718-74, Гетинакс электротехнический листовой. Технические условия, введен 01.01.1976). Недостатком известных диэлектриков на основе гетинакса является высокое значение тангенса угла диэлектрических потерь (tg=10^-2-10^-3), что не позволяет применять их в современных схемах, работающих в СВЧ-диапазоне.

В настоящее время для изготовления изделий, работающих в СВЧ-диапазоне, в частности для печатных плат, чаще всего используются многослойные композиционные диэлектрические материалы. Наиболее часто в данной области применяются текстолиты на основе стеклотканей или базальтотканей, а также композиты на основе полимерной матрицы с наполнителями из различных волокон (стекловолокна, волокон целлюлозы и т.п.).

Известен, в частности, диэлектрический материал для изделий, работающих в СВЧ-диапазоне, имеющий однослойную структуру (см. RU 2022477, H 05 K 1/03, Кибол и др., опубл. 30.10.1994). Диэлектрический материал выполнен из базальтоткани, пропитанной фторопластовой эмульсией, причем базальтоткань выполнена из нитей диаметром менее 7 мкм и толщиной менее 180 мкм.

Известен, также, диэлектрический материал для изделий, работающих в СВЧ-диапазоне, имеющий многослойную структуру (см. RU 2088058, Н 05 К 1/03, Соколинская и др., опубл. 20.08.1997). Многослойный диэлектрик выполнен из листов волокнистого материала, содержащего базальтовое и целлюлозное волокна в массовом соотношении 1-19:1 соответственно.

Другой вариант выполнения диэлектрического материала для изделий, работающих в СВЧ-диапазоне, имеющего многослойную структуру, известен из ЕР 0354341, Н 05 К 1/03, IBM, опубл. 14.02.1990. Известный материал имеет первый и второй основные уровни (слои) – один с фиксированными диэлектрическими характеристиками, а второй – с диэлектрическими характеристиками, изменяемыми за счет вариации количества составляющих его слоев.

Наиболее близким к заявленному является диэлектрический материал для изделий, работающих в СВЧ-диапазоне, имеющий многослойную структуру, выполненную из N слоев тонких пленок, где N>1 (см. US 5300364, В 32 В 15/08, Hase et al., опубл. 05.04.1994). При этом в известном диэлектрическом материале каждый слой имеет различную толщину, причем толщины слоев должны удовлетворять определенному соотношению, в которое входят также коэффициенты температурного расширения каждого слоя и значение средней жесткости проводящего слоя, наносимого на диэлектрический материал при изготовлении изделия, работающего в СВЧ-диапазоне, – печатной платы. Каждый слой предлагается выполнять из полиимидной пленки.

Все известные технические решения направлены на улучшение диэлектрических характеристик (в частности, снижение тангенса угла диэлектрических потерь) и механических характеристик (в частности, прочности) материала, используемого при изготовлении изделий, работающих в СВЧ-диапазоне. Вместе с тем, технологии изготовления всех перечисленных диэлектрических материалов довольно сложны.

Задачей настоящего изобретения является создание диэлектрического материала для изделий, работающих в СВЧ-диапазоне, характеризуемого более простой технологией изготовления, чем это было на предшествующем уровне техники, а также низким значением тангенса угла диэлектрических потерь.

Указанная задача решается тем, что в диэлектрическом материале для изделий, работающих в СВЧ-диапазоне, имеющем многослойную структуру, выполненную из N слоев тонких пленок, где N>1, согласно изобретению все слои выполнены из отдельных однотипных пленок по существу равной толщины d<80 мкм, объединенных в стопу.

Под стопой в рамках настоящего изобретения следует понимать многослойную структуру, имеющую нижний слой, верхний слой и, при N>2, промежуточные слои, каждый из которых размещен любым известным способом на ближайшем к нему снизу слое. Под однотипными следует понимать пленки, полученные из одного и того же материала одинаковым способом. Идеальная ситуация, когда все пленки, полученные из одинакового материала одинаковым способом, являются абсолютно идентичными по своим размерам и физическим свойствам, в рамках настоящего изобретения желательна, но на практике трудно достижима, именно поэтому пленки характеризуются как однотипные и имеющие по существу равную толщину. Характеристика «отдельные» применительно к пленкам, из которых формируется стопа, подразумевает отсутствие каких-либо взаимосвязей (физических или химических) между каждыми двумя соседними пленками.

Настоящее изобретение основано на обнаруженном авторами неожиданном эффекте высокого и сверхвысокого усиления присущих твердым телам и полимерам физических характеристик в многослойной структуре, составленной из отдельных однотипных пленок толщиной d<80 мкм, объединенных в стопу. В частности, при размещении однотипных отдельных пленок диэлектрика в стопу при d<80 мкм наблюдается неожиданно резкое снижение тангенса угла диэлектрических потерь полученной структуры с увеличением количества слоев и одновременным уменьшением толщины пленок.

Сущность изобретения и его преимущества поясняются далее более подробно на конкретных примерах его осуществления со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых приведены:

на фиг.1 – интегральные кривые распределения значений тангенса угла диэлектрических потерь tg, полученные в результате испытаний 5 различных серий образцов полиимидной пленки ПМ-4 различной толщины при числе испытаний i-ой серии N_i500, i=1…5;

на фиг.2 – интегральные кривые распределения значений тангенса угла диэлектрических потерь tg, полученные в результате испытаний 7 различных серий образцов пленки из полистирола (ПС) и полиэтилентерефталата (ПЭТФ) различной толщины при числе испытаний i-ой серии N_i=500, i=1…7.

При испытаниях, результаты которых приведены на фиг.1, использовались следующие серии образцов:

– серия 1 (кривая 11 на фиг.1) – однослойные образцы полиимидной пленки ПМ-4 толщиной d₀=35 мкм, число испытаний в данной серии N₁=500;

– серия 2 (кривая 12) – многослойные образцы в виде объединенных в стопу полиимидных пленок ПМ-4 при числе слоев N=4, каждый слой имеет толщину d₀=35 мкм, суммарная толщина образца D₀=140 мкм, число испытаний в данной серии N₂=600;

– серия 3 (кривая 13) – многослойные образцы в виде объединенных в стопу полиимидных пленок ПМ-4 при числе слоев N=20, каждый слой имеет толщину d₀=35 мкм, суммарная толщина образца D₀=700 мкм, число испытаний в данной серии N₃=600;

– серия 4 (кривая 14) – однослойные образцы полиимидной пленки ПМ-4 толщиной d₀=90 мкм, число испытаний в данной серии N₄=600;

– серия 5 (кривая 15) – многослойные образцы в виде объединенных в стопу полиимидных пленок ПМ-4 при числе слоев N=12, каждый слой имеет толщину d₀=90 мкм, суммарная толщина образца D₀=1080 мкм, число испытаний в данной серии N₅=600;

– серия 6 (кривая 16) – многослойные образцы в виде объединенных в стопу полиимидных пленок ПМ-4 при числе слоев N=4, каждый слой имеет толщину d₀=70 мкм, суммарная толщина образца D₀=280 мкм, число испытаний в данной серии Н₆=600.

Из фиг.1 видно (см. кривые 11, 12, 13 и 16), что для многослойных стопок, составленных из N>1 тонких пленок (толщиной менее 80 мкм), наблюдается эффект необычно большого снижения тангенса угла диэлектрических потерь tg со значения 10^-3 для однослойной пленки толщиной 35 мкм до величины порядка 10^-4-10^-6 для многослойных образцов. При этом наибольшее снижение значения tg достигается в образцах, образованных большим количеством слоев тонких полиимидных пленок (кривая 13). В массивных полиимидных пленках толщиной d₀>80 мкм (см. кривые 14 и 15), взятых как в отдельности, так и объединенных в стопу, эффекта снижения значения tg не наблюдается.

Аналогичные результаты получаются и для любых пленочных диэлектрических материалов. На фиг 2, для примера, приведены данные для двух материалов, широко используемых в радиоэлектронной технике – это полистирол (ПС) и полиэтилентерефталат (ПЭТФ). В частности, при испытаниях, результаты которых приведены на фиг.2, использовались следующие серии образцов:

– серия 1 (кривая 21) – однослойные (число слоев N=1) образцы полистирольной пленки толщиной d₀=20 мкм;

– серия 2 (кривая 22) – многослойные образцы (стопы) полистирольной пленки ПС с толщиной каждого слоя d₀=20 мкм с числом элементов-слоев N=4, суммарная толщина стопы D₀=80 мкм;

– серия 3 (кривая 23) – многослойные образцы (стопы) полистирольной пленки ПС с толщиной каждого слоя d₀=20 мкм с числом элементов-слоев N=15, суммарная толщина стопы D₀=300 мкм;

– серия 4 (кривая 24) – однослойные образцы пленки из полиэтилентерефталата (ПЭТФ) толщиной d₀=10 мкм;

– серия 5 (кривая 25) – многослойные образцы (стопы) пленки из ПЭТФ с толщиной каждого слоя d₀=10 мкм с числом элементов-слоев N=6, суммарная толщина стопы D₀=60 мкм;

– серия 6 (кривая 26) – однослойные образцы пленки из ПЭТФ толщиной d₀=100 мкм;

– серия 7 (кривая 27) – многослойные образцы (стопы) пленки из ПЭТФ с толщиной каждого слоя d₀=100 мкм с числом элементов-слоев N=3, суммарная толщина стопы D₀=300 мкм.

Как и в предыдущем случае, из представленных на фиг.2 экспериментальных данных видно (см. кривые 21-23 для ПС и 24-25 для ПЭТФ), что для многослойных стопок, составленных из N>1 тонких пленок (толщиной менее 80 мкм), наблюдается эффект необычно большого снижения тангенса угла диэлектрических потерь tg со значения 10^-4 для однослойных пленок ПС и ПЭТФ до величины порядка 10^-5-10^-6 для многослойных образцов. При этом наибольшее снижение значения tg достигается в образцах, образованных большим количеством слоев тонких пленок (см. кривые 22 и 23). В массивных пленках толщиной d₀>80 мкм (см. кривые 26 и 27 для ПЭТФ), взятых как в отдельности, так и объединенных в стопу, эффекта снижения значения tg не наблюдается.

Следует также отметить, что в случае однослойных образцов толщиной менее 80 мкм результаты испытаний, несмотря на в среднем более низкие значения tg, чем у образцов толщиной более 80 мкм, демонстрируют существенный разброс значений tg, что говорит о практической нецелесообразности использования однослойных пленочных диэлектрических материалов в силу их нестабильных характеристик и обусловленной этим фактором их недостаточной надежности.

Диэлектрический материал по изобретению может быть получен и использован, в частности, следующим образом.

Выбирается заданное число однотипных пленок (например, полимерных, в частности полиимидных, полистирольных и т.п., или пленок из кварца, слюды и вообще любого диэлектрика, включая, в частности, сегнетоэлектрики) одинаковой толщиной d₀<80 мкм. Полученные пленки складываются в несколько слоев. Затем (если необходимо получить плату небольших размеров, например, для тонкопленочной микросхемы) из такой стопки-книжки вырубаются заготовки под размеры и конфигурацию будущей электронной платы. Заготовку платы сажают на посадочное место. Далее при необходимости для экранизации на нижний слой в стопе методом напыления наносится экранирующее металлическое покрытие, например, методом вакуумного напыления или гальваническим методом. На верхний слой стопы (в случае одностороннего монтажа) методом напыления или гальваники наносятся токопроводящие дорожки, к которым припаиваются радиокомпоненты. В случае обычного монтажа в стопке проделываются сквозные отверстия, в которые вставляются выводы радиокомпонентов. При этом на верхней пленке (пластине) стопки делаются небольшие токопроводящие кольца (полукольца). После вставки радиокомпонента, например, вывода резистора, конденсатора и т.д. производится пайка вывода элемента со стороны монтажа (нижняя часть стопки). Часть припоя, попадая в кольцо (или полукольцо) с верхней части стопки (сторона вставки радиокомпонента), остается там после затвердевания и, тем самым, надежно скрепляет без всякого клея пленки (пластины) стопки между собой. Монтаж получается надежным, а тангенс угла диэлектрических потерь платы сверхнизким, что позволяет использовать ее в диапазоне СВЧ, например в преобразователях и усилителях параболических антенн СВЧ-диапазона, спутниковых и наземных мобильных телефонах и т.д. В случае, если токоведущие дорожки необходимо расположить на обеих поверхностях платы (двусторонний монтаж), то кольца не делают, а монтаж ведут сразу на верхней и нижней пленке стопки.

Аналогично изготавливают гибкие печатные (ленточные) соединительные кабели и гибкие катушки индуктивности. При изготовлении последних снижение диэлектрических потерь ведет к росту добротности контура, что позволяет их использовать, например, в качестве резонансных полосковых СВЧ- контуров.

Следует отметить, что какого-либо дополнительного нового оборудования для монтажа радиоэлектронной аппаратуры с использованием предложенных печатных плат, кабелей и катушек не требуется.

В заключении следует отметить, что вышеприведенные примеры приведены лишь для лучшего понимания его сущности и подтверждения возможности достижения заявленного технического результата и ни в коей мере не ограничивают объема притязаний, определяемого исключительно прилагаемой формулой изобретения.

Формула изобретения

Диэлектрический материал для изделий, работающих в СВЧ-диапазоне, имеющий многослойную структуру, выполненную из тонких пленок, отличающийся тем, что он выполнен из отдельных пленок, полученных из одного и того же материала одинаковым способом, по существу, равной толщины d<80 мкм.

РИСУНКИ