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高频高速材料介绍


先豐通訊股份有限公司

高頻高速材料介紹
方建中
2011/05/23

因應高頻高速要求
因應無鉛製程要求

因應無鹵化產品要求
2013/7/17 BoardTek 1

高頻高速

2013/7/17

B

oardTek

2

高頻高速材料的要求
? 低介質常數 (Low Dk)
? 降低介質常數可提昇訊號傳輸速度 ? Propagation delay = 84.6 x (εeff)1/2 ? 低散逸因子 (Low Df) ? 訊號隨著頻率增加,強度的損失也會隨之增加,因此高 頻高速通訊多採用低散逸因子材料來設計製作 ? Signal loss = 27.3 x (f/c) x (εeff)1/2 x tanδ

? 導體表面粗糙度
? 訊號頻率愈高,肌膚效應(Skin effect)愈明顯,因此訊 號傳輸導體表面愈平坦愈好 ? ? ? ?
2013/7/17

εeff : 介質常數 (effective dielectric constant) tanδ : 散逸因子 (dissipation factor) f : 頻率 (frequency) c : 光速 (light speed)
BoardTek 3

介質常數 : Dk or Er (ε)
? 每 ”單位體積” 的絕緣物質,在每一單位之 ”電 位梯度” 下所能儲蓄 ”靜電能量” (Electrostatic Energy)的多寡。
? 此詞尚另有同義字 ”透電率”( Permitivity 日文 稱為誘電率) ? 絕緣材料的 ”介質常數”(或透電率)要愈小愈好 ? 目前各板材中以鐵氟龍(PTFE),在1MHZ頻率下 介質常數的2.5最好,FR-4約為4.7 ? 電路板可視為一電容裝置,導線中有訊號傳輸時, 會有部份能量被電路板蓄積,造成傳輸上的延遲, 頻率愈高延遲愈明顯

2013/7/17

BoardTek

4

介質常數物理公式 : Dk or Er (ε)

? C=AxεxD/t
? C : 電容 (pF) ? A : 平板面積 (in2) ? ε : 介質常數 (dielectric constant of the dielectric material) ? D : 225 (常數)

? t : 介電層厚度 (mils)

2013/7/17

BoardTek

5

銅箔基板結構
銅箔

樹脂

玻璃纖維布

? 影響銅箔基板綜合 Dk 之因素
? 樹脂 (環氧樹脂Dk : 3 ~ 4) ? 玻璃纖維布 (Dk : 6 ~ 7) ? 樹脂重量比率 (Prepreg : 含膠量 RC%)
2013/7/17 BoardTek 6

Dk 均勻性1
? 玻璃纖維布節點
? 節點處 – 玻璃纖維重量比高 – Dk 高 ? 纖維間 – 樹脂重量比高 – Dk 低 ? 玻璃纖維紗支直徑愈大,節點效應愈大

? 降低玻璃纖維布節點效應
? 使用紗支直徑較小的玻璃纖維布 (2116, 1080, 106) ? 使用扁平的開纖布,降低節點處與纖維間的差異 ? 線路設計轉向

2013/7/17

BoardTek

7

Dk 均勻性2
? 膠片(Prepreg)壓合厚度
? 殘銅率 – 影響樹脂與玻璃纖維布的重量比 ? 殘銅率高 – 樹脂重量比高 – Dk 低

? 降低膠片(Prepreg)壓合厚度影響
? 疊構設計 – 內層基板厚度小於 Prepreg 厚度 ? 線路設計 – 降低同一層內局部殘銅率的差異 (L2, Ln-1 GND – 有利外層) ,有效運用Dummy pad ? 基板為外側介電層 – 微波通訊使用

2013/7/17

BoardTek

8

散逸因子 : Df
? 對交流電在功能上損失的一種度量 ? 絕緣材料 (樹脂) 的一種特性 ? 與所見到的電功損失成正比 ? 與週期頻率(f),電位梯度的平方(E2),及單 位體積成反比 ? 其數學關係為
Dissipation Factor=
Power loss (E2)*(f)*(Volume × Constant)

2013/7/17

BoardTek

9

先豐合格低 Dk、低 Df 材料
FR4
材料 廠商 Tg (℃)/DSC Dk (10GHz) Df (10GHz) FR408 ISOLA 180 3.77 0.0119 FR408HR ISOLA 185 3.76 0.0089 IS415 ISOLA 190 3.82 0.0131 IT180I 聯茂 175 4.00 0.015 IT170GR 聯茂 180 4.10 0.013 無鹵 TU862HF 台耀 165 4.40 0.015 EM285 台光 150 4.20 0.015

Fillers

無鹵

特殊材料
材料 廠商 樹脂種類 Dk (10GHz) Df (10GHz) 2013/7/17 RO4350B Rogers 陶瓷 3.48 0.0037 RO3003 Rogers PTFE 3.00 0.0013 TLY5A Taconic PTFE 2.17 0.0009 RF-30 Taconic PTFE 3.00 0.0014 RF-35A Taconic PTFE 3.50 0.0025 BoardTek 25N Arlon PTFE 3.38 0.0025 AD350A Arlon PTFE 3.50 0.0030 10

Dk & Df 量測
? Dk
? 基板廠 – 平行板電容方式 ? PCB – 測試 Pattern,利用TDR量測

? Df
? 基板廠 – 平行板電容方式

? PCB – 測試 Pattern,利用TDR或VNA量測
?IBM – SPP法 (Short Pulse Propagation) ?Cisco – S3參數量測法

?Intel – SET2DIL Insertion Loss法 – 較簡單

2013/7/17

BoardTek

11

SET2DIL 法

背景扣除組

Df量測組

TDR訊號進

TDR訊號出
2013/7/17 BoardTek 12

導體表面粗糙度
? 導體表面粗糙度
? 導體表面粗糙度形貌對電阻發熱,造成訊號能量的損失, 即為導體損耗 ? 頻率愈高,波長愈短,訊號在導體間行進,將只集中在 導體的表面,即所謂”肌膚效應”(Skin effect) ? 導體表面粗糙度愈平坦對訊號傳輸愈有利 ? PCB層間的接著強度,受導體表面粗糙度影響 ? 導體表面粗糙度愈高,樹脂與導體接著面積愈大,接著 強度也隨之愈高

? 改善方向
? 反轉銅箔的開發即因應此需求而產生 ? 近年來反轉銅箔的技術日趨成熟

2013/7/17

BoardTek

13

無鉛製程

2013/7/17

BoardTek

14

無鉛銲料
分類 銲料成份
SnCu
SnAg 高熔點銲料 (205℃以上)

熔點
227℃
221℃

性能與用途
便宜, 用於波銲或噴錫 銲錫性良好, 機械性能及可靠 度不錯, 用於Reflow
抗拉強度良好, 兼用波銲與 Reflow, 廣泛使用 可靠度良好, 用於波銲

存在問題
熔點太高, 對板材及綠漆不利
銀之溶出物具毒性

SnAgCu

217℃

銀之溶出物具毒性 銀之溶出物具毒性, 會有通孔 Filter lifting現象 銀之溶出物具毒性, 會有通孔 Filter lifting現象 鋅易氧化, 銲點易腐蝕, 銲錫性較 差, 需要強烈助銲劑 會有通孔 Filter lifting現象

SnAgCuBi

217℃

SnAgCuBi

200~216℃

兼用波銲與Reflow

中熔點銲料 (180℃以上)
SnZn 低熔點銲料 (180℃以下) 199℃ 熔點較低, 兼用波銲與Reflow 用於低溫銲接, 銲點耐疲勞性 良好,兼用波銲與Reflow

SnBi

138℃

成熟且被廣泛使用的無鉛銲料熔點為 217℃ ~ 227℃
2013/7/17 BoardTek 15

無鉛組裝的影響 – 熱衝擊加大
? Dicy板材耐熱性不足
? 爆板率由 100 ppm 拉高至 10,000 ppm 以上

? 降低孔銅的可靠度
? 溫度提高, Z 軸的膨漲程度加大,孔銅承受的應力加大, 孔銅斷裂的風險提高 ? 成品板厚愈厚者,風險愈高

2013/7/17

BoardTek

16

因應無鉛製程材料
? 耐熱性的提昇
? ? ? ? 硬化劑的改變 (Dicy → PN) Tg 的提高 (135℃ → 150℃ → 175℃) Td 的要求 (330℃ ~ 340℃) T260、T288基材分層時間的要求

? 降低 Z 軸總膨漲量
? Tg的提高 (135℃ → 150℃ → 175℃) ? 添加 Fillers (降低 Z 軸 CTE) ? Z 軸 CTE 分兩個區段
– α1 : 固態 (溫度在 Tg 以下,40 ~ 60 ppm/ ℃) – α2 : 膠態 (溫度在 Tg 以上,250 ~ 350 ppm/ ℃)

2013/7/17

? Tg (Glass transition Temp) : 由固態轉變為膠態的溫度 ? Td (Decomposition Temp) : 重量減少 5% 的溫度 ? CTE (Coefficient of Thermal Expansion) : 長度隨溫度增加而增 加的比例 17 BoardTek

Tg & Z 軸 CTE 對總膨漲量的影響
5% 4% 3% 2% 1% 0%
20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240

總膨脹率

IT140 IT180A

IT588 IT180I

IT180

溫度
260

材料 Tg α1 α2
2013/7/17

IT140 140 ℃ 55 ppm 290 ppm

IT588 137 ℃ 50 ppm 260 ppm

IT180 180 ℃ 50 ppm 250 ppm

IT180A 180 ℃ 45 ppm 250 ppm
BoardTek

IT180I 180 ℃ 40 ppm 210 ppm
18

Dicy VS PN Comparison 1

2013/7/17

BoardTek

19

Dicy VS PN Comparison 2

2013/7/17

BoardTek

20

因應PN材料 – PCB製程變動
? 鑽孔製程
? 鑽孔條件變動 ? 除膠渣程式調整 (Desmear)

? 壓合
? 使用高接著力銅箔

? 電鍍
? 鍍銅厚度提高 ? 鍍銅層延展性提高 (Elongation)

2013/7/17

BoardTek

21

無鹵化
2013/7/17 BoardTek 22

鹵素
? 鹵素來源 : 耐燃劑
? 傳統耐燃劑為 TBBPA (四溴丙二酚A) ? 達到 94V-0 等級,基材內溴含量需達 18% ~ 20% ? 一般基材溴的含量為 60,000 ~ 70,000 ppm

? 替代的無鹵耐燃劑
? ? ? ? DOPO 系列之磷化合物 氮系化合物 (代表物質 : BZ 樹脂) 達到 94V-0 等級,需添加 15% ~ 20% 分子結構內含有大量苯環分子結構,因此耐熱性佳, Td、 T260、T288的表現也優異,適用一般無鉛組裝

2013/7/17

BoardTek

23

無鹵板材
? 耐燃性
? 無鹵耐燃劑雖可達 94V-0 等級,但表現仍不如 TPPBA ? 添加 Fillers 以補強 ? Fillers 一般以 SiO2、Mg(OH)3、Al(OH)3為主

? 特性
? ? ? ? ? ? Td 高 Z 軸 CTE 低 樹脂 Df 低 耐熱性佳 CAF 佳 Dk 較高低 Dk 需求時調整 Fillers

2013/7/17

BoardTek

24

Boardtek FR4 材料分類 1
建議用途 類別 Z軸 CTE (ppm/ ℃) 層數 合格物料

硬化 劑

製 程

板厚 (mm)

4101 B

Tg(℃) Min

Td(℃) Min

α1 (max)

α2 (max)

T288 (分)

型號 NP-140

廠商 南亞 南亞 ISOLA 宏泰 -南亞 ISOLA 聯茂 台耀

A

Dicy

有 鉛

≦2.0

≦10

/97

110 (4101 B未定)

NP-150

--

--

--

-FR-402 THE-420

B-1

/124

150

325

60

300

5

-NP-155F

B-2 (添 加5%以 上Fillers)

PN

無 鉛

≦2.0

≦10 /99 150 325 60 300 5

IS-400 IT-158 TU-662

2013/7/17

BoardTek

25

Boardtek FR4 材料分類 2
建議用途 類別 Z軸 CTE (ppm/ ℃) 層數 合格物料

硬化 劑

製 程

板厚 (mm)

4101 B

Tg(℃) Min

Td(℃) Min

α1 (max)

α2 (max)

T288 (分)

型號 NP-170

廠商 南亞 ISOLA 南亞 ISOLA ISOLA 聯茂 ISOLA 聯茂 聯茂 台耀

C

Dicy

有 鉛

≦3.0

≦16

/26

170

--

--

--

-FR-406 NP-175

有 鉛 D-1 PN 無 鉛

≦10.0

≦32
FR-370T /129 170 340 60 300 15 IS415

≦3.0

≦16 IT180 FR-370HR

D-2 (添 加5%以 上Fillers)

PN

有 鉛 / 無 鉛

IT-180A ≦10.0 ≦32 /126 170 340 60 300 15 IT-180I TU-768

2013/7/17

BoardTek

26

Boardtek 無鹵 FR4 材料分類
建議用途 類別 硬化 劑 製 程 -有 鉛 / 無 鉛 -有 鉛 / 無 鉛 板厚 (mm) -層數 -4101 C Tg(℃) Min Td(℃) Min Z軸 CTE (ppm/ ℃) α1 (max) 60 α2 (max) 300 T288 (分) 合格物料 型號 -R-1566 ≦2.0 ≦10 /127 125 310 60 300 5 EM-285 --/125 150 325 60 300 5 -IT-170GR ≦10.0 ≦32 /128 150 325 60 300 5 TU-862HF 台耀 台光 -聯茂 廠商 -NPL

G

/122

125

310

5

G (Fillers)

Dicy

H

H (Fillers)

Dicy

2013/7/17

BoardTek

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