高頻基板發(fā)展

1、高頻基板材料之最新發(fā)展1、前言隨著信息科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，具有高速信息處理功能之各種電子消費(fèi)產(chǎn)品 已成為人民日常生活中不可缺少的一部分， 從而加快了無線通訊和寬頻應(yīng)用工業(yè) 技術(shù)由傳統(tǒng)的軍用領(lǐng)域向民用的消費(fèi)電子領(lǐng)域轉(zhuǎn)移之速度，由于消費(fèi)電子市場需求強(qiáng)勁，且不斷提出更高的技術(shù)要求，如信息傳遞高速化、完整性及產(chǎn)品多功能 化和微型化等，從而促進(jìn)了高頻應(yīng)用技術(shù)之不斷發(fā)展。特別是覆銅箔基板材料技 術(shù)，傳統(tǒng)FR-4之DK和Df相對較高，即使通過改善線路設(shè)計(jì)也無法完全滿足高 頻下的信號高速傳遞且信號完整之應(yīng)用需求，因?yàn)楦逥K會使信號傳遞速率變慢，高Df會使信號部分轉(zhuǎn)化為熱能損耗在基板材料中，因而降低DK/Df已

2、成為基板業(yè)者之追逐熱點(diǎn)，各種降低DK/Df之新技術(shù)和新型基板產(chǎn)品也不斷地涌現(xiàn)出來， 同時(shí)不斷地被PCB業(yè)者和終端廠商所接收和否定（某些應(yīng)用領(lǐng)域的否定）。以下 就本人對業(yè)界高頻基板材料技術(shù)之發(fā)展的理解作一簡單的介紹，同時(shí)就我司的新型高頻基板材料作簡要之介紹與討論。2、介電常數(shù)（DK和損耗因子（Df）2.1定義介電常數(shù)（8，£ r, DK以下均用DK表示）的定義方式繁多，但常見定義 為：含有電介質(zhì)的電容器的電容 C與相應(yīng)真空電子容器的電容之比為該電介質(zhì)的 介電常數(shù)。（電介質(zhì)的電容電荷示意圖如下圖 1）（a）（b）佃）板間是真空梅間有電介険 囹I平行板電尋器上的電荷+爭田®田從介

3、電常數(shù)的定義可知，如果電介質(zhì)的極化程度越高，則其電荷Q值越高， 即DK越高，說明DK是衡量電介質(zhì)極化程度的宏觀物理量， 表征電介質(zhì)貯存電能 能力的大小，從而也表征了阻礙信號傳輸能力的大小。損耗因子（tan S, Df，也叫介質(zhì)損耗因素，介質(zhì)損耗角正切，以下均用Df表示）一般可定義為：絕緣材料或電介質(zhì)在交變電場中，由于介質(zhì)電導(dǎo)和介質(zhì)極化的滯后效應(yīng)，使電介質(zhì)內(nèi)流過的電流相量和電壓相量之間產(chǎn)生一定的相位差， 即形成一定的相角，此相角的正切值即損耗因子Df，由介質(zhì)電導(dǎo)和介質(zhì)極化的滯后效應(yīng)引起的能量損耗叫做介質(zhì)損耗，也就是說，Df越高，介質(zhì)電導(dǎo)和介質(zhì)極化滯后效應(yīng)越明顯，電能損耗或信號損失越多，是電介質(zhì)損

4、耗電能能力的表征 物理量，也是絕緣材料損失信號能力的表征物理量。2.2基板材料DK和Df之影響因素在高頻應(yīng)用中，PCB使用之基板材料的介電性能對信號的傳輸速度和完整性 產(chǎn)生直接的影響，在討論如何降低DK/Df以更好地符合高頻應(yīng)用前，先對基板材 料DK/Df之影響因素進(jìn)行討論：基板材料DK/Df之影響因素較多，主要有如下幾 方面：樹脂、玻璃布類型、樹脂含量、環(huán)境溫度和濕度及應(yīng)用頻率等，下面就以 上影響因子進(jìn)行詳細(xì)分析。2.2.1樹脂結(jié)構(gòu)特性因基板之絕緣部分是由樹脂和玻璃布組成，玻璃布的DK較高（E-glass6.6，NE-Glass4.6 ），因而實(shí)現(xiàn)較低的DK必須選擇較低DK之樹脂。樹脂的DK

5、/Df 主要與樹脂的純度、吸水率及樹脂分子結(jié)構(gòu)此三方面有關(guān)，當(dāng)然此三方面也相互 影響。一般來講，樹脂中游離的離子會使樹脂的吸水率提高，由于水的DK達(dá)到70，吸水率的提高會使樹脂的DK升高，同時(shí)會在高頻下易形成離子極化而增加 極化程度，也使DK升高，同時(shí)Df也會相應(yīng)提高。至于吸水率，與樹脂本身分子 結(jié)構(gòu)相關(guān)，一般來說，分子結(jié)構(gòu)之極性越低，其吸水率越低；另其固化后的交聯(lián) 密度越大，其吸水率也會越低，其 DK/Df受環(huán)境濕度的增加而增加。分子結(jié)構(gòu) 極性是決定樹脂DK/Df之關(guān)鍵，如果分子結(jié)構(gòu)極性越高，在一定電磁波下，樹脂 內(nèi)電子極化、原子極化、偶極極化（又稱取向極化）之程度將越高，其DK/Df越高，

6、此點(diǎn)亦可從DK/Df之定義得知，所以設(shè)計(jì)或選擇高度對稱結(jié)構(gòu)，少量極性 基團(tuán)、低極性的化學(xué)鍵和具有大分子體積的高分子樹脂是降低DK/Df之主要途徑，例如具有脂肪族烴、氟代烴、環(huán)脂環(huán)族等此類結(jié)構(gòu)的樹脂和能具有參加反應(yīng) 之乙烯基、醚基、酯基及酰亞胺基等結(jié)構(gòu)的樹脂（固化后）其 DK/Df相對較低， 千萬不能含有0H和COOI等極性基團(tuán)，傳統(tǒng)FR-4因固化后分子結(jié)構(gòu)中含有大量 0H基而具有相對較高的DK/Df。常用作Low DK/Df之樹脂結(jié)構(gòu)如下：廠 I c2.2.2玻璃布和樹脂含量玻璃布的DK/Df不可忽視，因?yàn)椴ＡР荚诨逯邪缪萘薉K “拖后退”之角色，E-glass 在 IMHz之 DK為 6.

7、6，而傳統(tǒng) FR-4 epoxy 在 1MHZ> DK為 3.6，兩 者制作的傳統(tǒng)FR-4基板的DK在 4.2-4.8，正因?yàn)镋-glass的DK太高而開發(fā)了 新型NE-glass，其特性表如表1目前NE-Glass已被CCL批量使用，如Nelco N4000-13SI,當(dāng)然如果再想進(jìn) 一步降低 DK 可采用 Q-Glass(DK/Df=3.9/0.0002 ，1MHZ)如 Nelco N8000Q。正因?yàn)闃渲腄K比玻璃布的低，百其Df (約0.025，1MHZ比玻璃布的高， 所以隨著含量的升高，基板或基材之DK隨著降低，百Df隨著升高，在設(shè)計(jì)疊構(gòu) 和阻抗時(shí)可借鑒此變化規(guī)律。L1.3

8、耳境JJJIJ"l 卞印嘴 卜 41 事，MTIFbui.iwajflrtk«關(guān)于DK/Df會受到環(huán)境溫度的影響，祝大同專家曾對此關(guān)系做了詳細(xì)的分 析：基板材料的DK/Df隨著溫度的提高而增大，且 Df相對表現(xiàn)更加“敏感”， 具體參見圖2和圖3。其實(shí)我們從DK/Df之定義去想想，其原因很明顯，當(dāng)溫度 升高時(shí)，樹脂分子內(nèi)的電荷運(yùn)動加快、電荷極化、原子極化和取向極化程度提高， 基DK會提高，而電荷運(yùn)動的加快，電荷更易形成電流，促進(jìn)了樹脂內(nèi)的電導(dǎo)增 加，加之極化程度增加后，兩者造成較明顯的滯后效應(yīng)，從而使相對角增幅較大， Df也相應(yīng)較大幅度地增大。當(dāng)然如果樹脂之極性很小，如PPE

9、其DK/Df隨溫度 的變化之趨勢較小，特別是 PTFE基本上不隨溫度的變化而變化，圖 2和圖3 也能說明此點(diǎn)。2.2.4應(yīng)用頻率X 4 'i；«iEE f IXMH4 aRffi眾所周知，傳統(tǒng)FR-4材料之DK隨著頻率升高而降低，Df隨著頻率升高而 升高，而DK/Df更低的PPO和PTFE等基板材料之DK/Df隨頻率變化的幅度相對 較小，特別是PTFE基板之DK隨頻率升高而趨于平穩(wěn)或微量變小，如圖4和圖5。 此現(xiàn)象也可從DK/Df的定義來進(jìn)行解釋說明，當(dāng)頻率升高時(shí)，極性較強(qiáng)的樹脂內(nèi) 的電子、電荷、離子等來不及進(jìn)行排序而形成的極化程度降低，其DK較低且頻率越高DK降低越明顯；對

10、于極性弱的樹脂，基本上產(chǎn)生的極化程度本來就很低， 其DK較低，所以隨頻率升高而DK降低的幅度較小。對于極性較強(qiáng)的樹脂來講， 頻率越高，樹脂之電導(dǎo)和極化的滯后效應(yīng)越嚴(yán)重， 也是說樹脂內(nèi)電荷產(chǎn)生的電流 和樹脂之極化趕不上頻率的變化，且頻率越高則越落后，因而其Df相對較高且隨頻率升高而明顯升高；而極性弱的樹脂，樹脂本身內(nèi)的電導(dǎo)和極化很弱，其滯 后效應(yīng)隨頻率之變化不明顯，則其Df相對較低且隨頻率提高而增大的幅度很小。3. 高頻基板材料的設(shè)計(jì)3.1信號傳輸速度在傳統(tǒng)的電子產(chǎn)品應(yīng)用中，應(yīng)用頻率大多數(shù)集中在1GHz以下，傳統(tǒng)FR-4材料的DK/Df特性足以滿足其要求，而常被PCB和終端廠商設(shè)計(jì)者所忽視其較高

11、 DK/Df帶來的負(fù)面影響。隨著電子產(chǎn)品信息處理的高速化和多功能化，應(yīng)用頻率 不斷提高，2GHz及 3-6GHZ將成為主流，基板材料不再是扮演傳統(tǒng)意義下的機(jī)械 支撐角色，而將與電子組件一起成為PCB和終端廠商設(shè)計(jì)者提升產(chǎn)品性能的一個(gè) 重要途徑，是因?yàn)楦哳l下的信號傳輸速度與DK的平方根成反比關(guān)系，其簡單關(guān)系式如下：V：信號傳輸速度，K:常數(shù)，C:光速,DK基板的介電常數(shù)或者說信號傳輸延遲時(shí)間與 DK的平方根成正比，DK越高，其信號傳輸延遲 現(xiàn)象越嚴(yán)重，其簡單關(guān)系如下：Tpd = m K cTpd:傳輸延遲時(shí)間，L:信號傳輸長度，& eff :實(shí)際相對介電常數(shù)（在帶狀 線的情況下，&

12、; eff=DK），C:光速另外，信號傳輸速度還與PCB設(shè)計(jì)的特性阻抗有關(guān)，一般阻抗越大，信號傳 輸越快，簡單抽象地說就是阻抗越在，即阻止信號滲入介電層的能力越大， 其信 號傳輸就快。帶狀線的特性阻抗Z0計(jì)算公式：5.98h曲介電常 IS Dk, h：基從特性阻抗Z0計(jì)算公式可看出，減少線寬、降低銅厚、提高介電層厚 及降低介電層DK均可提高Z0,為了提高信號傳輸速度，這些均已成為 PCB設(shè)計(jì) 者必須考慮的因素。3.2信號傳輸損失簡單地講，信號傳輸損失就是信號在傳輸過程中，部分信號轉(zhuǎn)化為熱能并損 失到介電層中去了，如果信號傳輸損失大，說明傳輸?shù)男盘栕內(nèi)?，會影響信號?輸之完整性，導(dǎo)致話間不清晰或

13、圖像失真等現(xiàn)象， 所以PCB設(shè)計(jì)者在設(shè)計(jì)時(shí)必須 考慮到信號的傳輸損失，而信號的傳輸損失（a） 般認(rèn)為包括導(dǎo)體損失（ac） 和介質(zhì)損失（ad）：20他（W23【X 此"” r丐-3:!_ 5衛(wèi)咖h-“如 hT r磅=27Jx frf x 7（/r） x tan <?H 一以上公式中有幾個(gè)概念先進(jìn)行說明：集膚效應(yīng)(skin effect ):在高頻信號進(jìn)行傳輸時(shí)，信號的交換頻率極快， 會使導(dǎo)線產(chǎn)生電磁感應(yīng)，尤其在導(dǎo)線橫段面中心處的電感較大，使得此位置的電流或信號的通過變得極少，而通過導(dǎo)線傳輸?shù)碾娏骰蛐盘枺^大數(shù)集中在導(dǎo)線的 表皮，此種現(xiàn)象叫做“集膚效應(yīng)”，又稱“表皮效應(yīng)”。表皮厚度

14、(skin depth )和表皮電阻(skin resista nee )：由于集膚效應(yīng) 的產(chǎn)生，高頻信號在導(dǎo)線的表面上傳輸?shù)挠行Ы孛娣e變小，集中在導(dǎo)線的外表皮(其厚度叫表皮厚度)，如果頻率越高，具有實(shí)際傳輸?shù)谋砥ず穸茸兊迷奖?，?dǎo) 線表皮上的電阻(叫表皮電阻 Rs)相應(yīng)變大，信號傳輸損失增加，此點(diǎn)可從表 皮厚度和表皮電阻的計(jì)算公式得到體現(xiàn)，隨著頻率升高，表皮厚度變薄，而表皮電阻升高，從而導(dǎo)致在導(dǎo)線中傳輸?shù)母哳l信號以熱能形式散失得越多。在高頻信號傳輸中，因集膚效應(yīng)造成的信號損失是導(dǎo)體損失的主要形式之 一，所以在高頻應(yīng)用時(shí)，選用銅箔時(shí)其粗糙度 Rz要特別低，VLP銅箔是較佳的 選擇。另外高介電層D

15、K也是導(dǎo)體損失的主要形式之一，對于 PCB設(shè)計(jì)者來說， 降低介電層DK也是降低導(dǎo)體內(nèi)的損失還與導(dǎo)體的厚度、寬度和介電層的厚度及 特性阻抗有關(guān)，其實(shí)還與互相連接的各導(dǎo)線之特性阻抗的一致性有關(guān)，因?yàn)槿绻灰恢碌淖杩箷?dǎo)致信號在傳輸過程中發(fā)生發(fā)射噪聲而影響信號傳輸?shù)恼鎸?shí)性， 實(shí)際上這是PCB阻抗設(shè)計(jì)的主要目的之一。在高頻信號傳輸過程中，介質(zhì)損失相對導(dǎo)體損失要大很多，占了傳輸損失的 大部分，因?yàn)榻殡妼又械奈⒘侩姾赡茉诟哳l下形成電導(dǎo)而導(dǎo)致信號以熱能散失在 介電層中。從介質(zhì)損失的公式可得知，隨著頻率升高、DK升高及Df升高，介質(zhì)損失隨著增加，祝大同專家在高速、高頻 PCB用基板材料評價(jià)與選擇一文中 對此關(guān)

16、系作了詳細(xì)的分析，如有不說之處，可查閱此文。根據(jù)以上之分析，選擇具有較低DK/Df之基板材料，成為PCB設(shè)計(jì)者降低信號傳輸損失的重要途徑。3.3低DK/Df基板材料的設(shè)計(jì)與開發(fā)為了能迅速占有一定的高頻應(yīng)用市場，歐美和日本CCLM LowDK/Df材料進(jìn)行如火如荼的開發(fā)工作，并向市場推出各種各樣的Low DK/Df基板材料，綜觀CCL業(yè)界開發(fā)Low DK/Df之設(shè)計(jì)開發(fā)思路，大體總括如下表 2、3、表4和圖6：東？囲脂聲悻;1樹躺Dk(IMHz)IdU血N也咖BT2.S-350.0015-0.003CE2J-3JQC.W3'0.(K>5PPU2.450.00071 FTE;2.50

17、0.QQ1科ydbriihiin Chcmkil *Lo'w Dk/DF ihcrmQMl ph訕 ics)2.2-2,0.001005PTTE2OOXM-flaw z裊*設(shè)計(jì)息踣対區(qū)的畧盤CCtN尹甜諛計(jì)思席M思產(chǎn)粘牛產(chǎn)公HDkDI1 MH/lCiHr:i MHrKpH?ppo/EpyCieieklEln193戈0.009o.txwnw亠3.02( 10<：«/j、GD01珂10（；丿料改E'TFE/ccrjmicO-Tf-IXARI.OM2.94( tOGH?0002/1061")uTwonicI左OOJOGH和aooijuocifPlN70OT

18、2H!MckQ3弟、TOW35NAlJtOW4J9ODOS*fiT/EpovyCCl HIMicuhiUiii434.1o.owAnh5<lrifc/bpax.rIjiila3.70.0100010N4DCXK13Nelco3.7nn»)CENiHXXJNrlco13.1tit川性頼APPE/EfWNyMC I t.X ft7FfVRiischu34-S.75；l(02 51.1X14 S0(X>1C0.006STPPR/pflxyMcgin>fl54時(shí)斗mshii血站山性ni w-wsKvnecra13 0 0025TFPE/BITFpVHCCLHLSTfl Ty

19、pe MMis4uhi<hi3甸fttjOiotwHydrocariwri/ROJSSORRQf*rs-X0.0()n(10GH;jE5frM>vcrics1細(xì)和7刪 QGHf.)A川山如4$« lOGEhiQEiwnic2 禍/FRAl-ROXI 0025.1) 003( IfKiifjJMHME-GJossM000-1 籃1Ndco3.5Cf.tXf)NSj76-QZekedZKlfXlHZG.(10+4)m7|fKjHnArami-dThe mu mj nt sssrr盤 JUQWiHi«OI5h"田有箱情 k £ nil n雨聊球tn

20、wb*上表中只提了一些典型廠商之典型產(chǎn)品，有很多家的產(chǎn)品并沒有提到，如ARLOI之 FoamClad 100(DK/DF=1.15-1.35/0.002-0.004) ，Nelco 最新推出的 N4350-13RF和 N4380-13RF GIL 的 GML100等。圖6各樹88對應(yīng)前基板之Dk/DFISCffiDI I*SIT Nelco «H據(jù)表2、3和圖6,可對DK/Df與樹脂/增強(qiáng)材料設(shè)計(jì)對應(yīng)關(guān)系總結(jié)如下表 4：各種樹脂基板材料的特性、應(yīng)用及市場價(jià)位狀況如下表5：曰M IGMeJlb-4.2U.WHJ-a.flL2料町r s”CEfEpoijiEJXarwb-oiciPT/S

21、p&iy肆皿血a皿Ajarmd1 3-3.8EXIImi1ySTNE-Obs*0.0020.0)6AFT&JSTPPEVEfCH?E-GinaFIFE/cerarae<0003FIFE* 5T網(wǎng)SQz hi i n*KShn Lft*輸負(fù)pmWphefKjIir nirr)wrifL0PFOEM?Ay伽覽裁熬較直1.6術(shù)輸髙it通敝.少應(yīng)l0tRR母A uti 啊 ride陽pa曙1WTLb2001：刪t.sBT/Efosyimp:妝*?2.4ic H«tt4EjmtTPFI 泗晌ty170Tkt豪粒誣i和齊凡n時(shí)廉射腹-*Sfl無峻*孔 汽車衛(wèi)2丘怕果也 豪芯

22、k吃rrri'tiw6-IUt綜上所述，由于PTFE分子結(jié)構(gòu)對稱而極性非常低，其介電性能最好（DK/Df 最低），普遍應(yīng)用在高頻無線通訊上（特別是軍用），但其單價(jià)太貴且PCB之Desmear和孔壁鍍銅性能差而使其應(yīng)用受到一定的限制；而對其它工程塑料（如 PBD PS PPO等）進(jìn)行熱固性改性并和 Epoxy進(jìn)行共混改性之材料，由于 PPO 等工程塑料之分子結(jié)構(gòu)對稱，或分子結(jié)構(gòu)多為極性較低的脂肪族烴鍵連結(jié)，其 DK/Df也較低，具有較好的介電性能，且成本相對PTFEf氐一些，另共混之Epoxy 提供了良好的CCL和 PCB加工性，所以被業(yè)界廣泛研究及已被市場大批量應(yīng)用， 并有部分取代PT

23、FE材料之趨勢。4.聯(lián)茂電子高頻基板材料的開發(fā)近幾年以來，聯(lián)茂電子除了大力開發(fā) Hihg Tg、Mid Tg、Normal Tg及無鹵 等無鉛基板材料之外，一直致力于研究開發(fā)適于高頻應(yīng)用的無鉛基板材料，以打破歐美及日本CCL霸占高頻基板市場之局面，并于 2006年成功開發(fā)DK/DfO 3.6/0.004（1GHZ之材料，已開始量產(chǎn)送樣給客戶評估。由于epoxy采用傳統(tǒng)Dicy或phenolic固化后會產(chǎn)生0H極性基團(tuán)而導(dǎo)致其 DK/Df較高，但其成本較低，而傳統(tǒng)改性epoxy降低DK/Df用之CE PI （含BM） 和APPE（或 TPPE等樹脂均相當(dāng)昂貴，影響這些材料的應(yīng)用普及，而聯(lián)茂電子

24、選擇獨(dú)特的開發(fā)思路，采用獨(dú)特的配方技術(shù)，研制了一種特性優(yōu)異且成本相對市場面上同類產(chǎn)品成本低幾成的LowDK/Df基板材料，并可適于無鉛制程，其基板 特性如下表6：Ijdw Df TypeIT udFT I5STKD5CJcIM56>TMAJTdiiHMGrninM>#4%nrnTMlirTMAjmin> IMnX血n頂5黑 *1 IM1Jr>M03LJ>M0> 1 <TV M >ppmiV.Q lj 頁 1跑JOO250礬氛4J.±1*1車彬時(shí)卩切3i(l?-0IV .09D洛e(cuò)ts0150122録£ wlib7hf>r

25、nih>to4>10DfclKiEitJtCSOt)13.6*34.4IM.nrsni&0I7GO洛此產(chǎn)品樹脂結(jié)構(gòu)采用極性非常低的分子結(jié)構(gòu)，其吸水率較低，特別是PCT8hr后的吸水率也僅0.04%,說明此產(chǎn)品適合于高濕環(huán)境下的高頻應(yīng)用，因?yàn)樗腄K達(dá)到70,微量的水份均能較大幅度的提高基板材料的DK從而影響信號傳輸速度和增加傳輸損失。PCT吸水率資料如圖7。f 1/1 (LowWIT140 H 17158:陀羽為血. TSffi 7 ffi®780和60MWJO®0(» aQaaa.daam由于此產(chǎn)品之樹脂具有低極性的分子結(jié)構(gòu)，即使高頻下也不會

26、因產(chǎn)生較大的 電子極化、原子極化、取向極化及較高的電導(dǎo)而導(dǎo)致較高的DK/Df，從DK/Df隨頻率的變化趨勢圖（圖8）來看，其DK/Df隨著頻率的變化趨勢比較平緩，特別 適合于高頻應(yīng)用（1-10GHZ 。住仙««A"aoiwQQI» aototn i”iO!H*I該產(chǎn)品具有較低的CTE（ 50-260C，3.4%），可以應(yīng)用在具有更高集成度的 高頻應(yīng)用板上，如可制作12層或16層板等來取代傳統(tǒng)高頻應(yīng)用的四、六層板（最 多是8層板），符合未來高頻板的發(fā)展趨勢。5.結(jié)論綜上所述，根據(jù)本文中介紹的 DK/Df之定義及其各項(xiàng)影響因素之影響規(guī)律， 業(yè)界可從分子結(jié)構(gòu)角度設(shè)計(jì)具有性價(jià)比優(yōu)良的 Low loss之基板材料，來實(shí)現(xiàn)高 頻應(yīng)用的普及化，從而加快信息科學(xué)技術(shù)的發(fā)展及對人類生活的不斷滲透，使人類生活變得更豐富多彩。特別是希望同行能充分利用國內(nèi)理論研究的優(yōu)勢，加快