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高频基板材料之最新发展


高频基板材料之最新发展 发布日期: 2007-11-24 阅读: 2464 次 标滚屏 1、前言 随着信息科学技术的飞速发展, 具有高速信息处理功能之各种电子消费产品 已成为人民日常生活中不可缺少的一部分, 从而加快了无线通讯和宽频应用工业 技术由传统的军用领域向民用的消费电子领域转移之速度, 由于消费电子市场需 求强劲,且不断提出更高的技术要求,如信息传递高速化、完整性及产品多

功能 化和微型化等, 从而促进了高频应用技术之不断发展。特别是覆铜箔基板材料技 术,传统 FR-4 之 DK 和 Df 相对较高,即使通过改善线路设计也无法完全满足高 频下的信号高速传递且信号完整之应用需求, 因为高 DK 会使信号传递速率变慢, 高 Df 会使信号部分转化为热能损耗在基板材料中,因而降低 DK/Df 已成为基板 业者之追逐热点,各种降低 DK/Df 之新技术和新型基板产品也不断地涌现出来, 同时不断地被 PCB 业者和终端厂商所接收和否定(某些应用领域的否定)。以下 就本人对业界高频基板材料技术之发展的理解作一简单的介绍, 同时就我司的新 型高频基板材料作简要之介绍与讨论。 2、介电常数(DK)和损耗因子(Df) 2.1 定义 介电常数(ε ,ε r,DK,以下均用 DK 表示)的定义方式繁多,但常见定义 为: 含有电介质的电容器的电容 C 与相应真空电子容器的电容之比为该电介质的 介电常数。(电介质的电容电荷示意图如下图 1) 字体:大 中 小 双击鼠

从介电常数的定义可知,如果电介质的极化程度越高,则其电荷Q值越高, 即 DK 越高, 说明 DK 是衡量电介质极化程度的宏观物理量,表征电介质贮存电能 能力的大小,从而也表征了阻碍信号传输能力的大小。 损耗因子(tanδ ,Df,也叫介质损耗因素,介质损耗角正切,以下均用 Df 表示)一般可定义为:绝缘材料或电介质在交变电场中,由于介质电导和介质极 化的滞后效应,使电介质内流过的电流相量和电压相量之间产生一定的相位差, 即形成一定的相角,此相角的正切值即损耗因子 Df,由介质电导和介质极化的 滞后效应引起的能量损耗叫做介质损耗,也就是说,Df 越高,介质电导和介质 极化滞后效应越明显, 电能损耗或信号损失越多,是电介质损耗电能能力的表征 物理量,也是绝缘材料损失信号能力的表征物理量。 2.2 基板材料 DK 和 Df 之影响因素 在高频应用中,PCB 使用之基板材料的介电性能对信号的传输速度和完整性 产生直接的影响, 在讨论如何降低 DK/Df 以更好地符合高频应用前,先对基板材 料 DK/Df 之影响因素进行讨论: 基板材料 DK/Df 之影响因素较多,主要有如下几 方面:树脂、玻璃布类型、树脂含量、环境温度和湿度及应用频率等,下面就以 上影响因子进行详细分析。 2.2.1 树脂结构特性 因基板之绝缘部分是由树脂和玻璃布组成,玻璃布的 DK 较高(E-glass6.6, NE-Glass4.6),因而实现较低的 DK,必须选择较低 DK 之树脂。树脂的 DK/Df 主要与树脂的纯度、 吸水率及树脂分子结构此三方面有关,当然此三方面也相互 影响。一般来讲,树脂中游离的离子会使树脂的吸水率提高,由于水的 DK 达到

70,吸水率的提高会使树脂的 DK 升高,同时会在高频下易形成离子极化而增加 极化程度,也使 DK 升高,同时 Df 也会相应提高。至于吸水率,与树脂本身分子 结构相关,一般来说,分子结构之极性越低,其吸水率越低;另其固化后的交联 密度越大,其吸水率也会越低,,其 DK/Df 受环境湿度的增加而增加。分子结构 极性是决定树脂 DK/Df 之关键,如果分子结构极性越高,在一定电磁波下,树脂 内电子极化、原子极化、偶极极化(又称取向极化)之程度将越高,其 DK/Df 越高,此点亦可从 DK/Df 之定义得知,所以设计或选择高度对称结构,少量极性 基团、低极性的化学键和具有大分子体积的高分子树脂是降低 DK/Df 之主要途 径,例如具有脂肪族烃、氟代烃、环脂环族等此类结构的树脂和能具有参加反应 之乙烯基、醚基、酯基及酰亚胺基等结构的树脂(固化后)其 DK/Df 相对较低, 千万不能含有 OH 和 COOH 等极性基团,传统 FR-4 因固化后分子结构中含有大量 OH 基而具有相对较高的 DK/Df。常用作 Low DK/Df 之树脂结构如下:

2.2.2 玻璃布和树脂含量 玻璃布的 DK/Df 不可忽视,因为玻璃布在基板中扮演了 DK“拖后退”之角 色,E-glass 在 IMHz 之 DK 为 6.6,而传统 FR-4 epoxy 在 1MHZ 之 DK 为 3.6,两 者制作的传统 FR-4 基板的 DK 在 4.2-4.8,正因为 E-glass 的 DK 太高而开发了 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,当然如果再想进 一步降低 DK,可采用 Q-Glass(DK/Df=3.9/0.0002,1MHZ),如 Nelco N8000Q。

正因为树脂的 DK 比玻璃布的低,百其 Df(约 0.025,1MHz)比玻璃布的高, 所以随着含量的升高,基板或基材之 DK 随着降低,百 Df 随着升高,在设计叠构 和阻抗时可借鉴此变化规律。

关于 DK/Df 会受到环境温度的影响,祝大同专家曾对此关系做了详细的分 析:基板材料的 DK/Df 随着温度的提高而增大,且 Df 相对表现更加“敏感”, 具体参见图 2 和图 3。其实我们从 DK/Df 之定义去想想,其原因很明显,当温度 升高时, 树脂分子内的电荷运动加快、 电荷极化、 原子极化和取向极化程度提高, 基 DK 会提高,而电荷运动的加快,电荷更易形成电流,促进了树脂内的电导增 加, 加之极化程度增加后, 两者造成较明显的滞后效应, 从而使相对角增幅较大, Df 也相应较大幅度地增大。当然如果树脂之极性很小,如 PPE,其 DK/Df 随温度 的变化之趋势较小,特别是 PTFE,基本上不随温度的变化而变化,图 2 和图 3 也能说明此点。 2.2.4 应用频率

众所周知,传统 FR-4 材料之 DK 随着频率升高而降低,Df 随着频率升高而 升高,而 DK/Df 更低的 PPO 和 PTFE 等基板材料之 DK/Df 随频率变化的幅度相对 较小, 特别是 PTFE 基板之 DK 随频率升高而趋于平稳或微量变小, 如图 4 和图 5。 此现象也可从 DK/Df 的定义来进行解释说明,当频率升高时,极性较强的树脂内 的电子、电荷、离子等来不及进行排序而形成的极化程度降低,其 DK 较低且频 率越高 DK 降低越明显; 对于极性弱的树脂,基本上产生的极化程度本来就很低, 其 DK 较低,所以随频率升高而 DK 降低的幅度较小。对于极性较强的树脂来讲, 频率越高, 树脂之电导和极化的滞后效应越严重,也是说树脂内电荷产生的电流 和树脂之极化赶不上频率的变化,且频率越高则越落后,因而其 Df 相对较高且 随频率升高而明显升高;而极性弱的树脂,树脂本身内的电导和极化很弱,其滞 后效应随频率之变化不明显, 则其 Df 相对较低且随频率提高而增大的幅度很小。 3.高频基板材料的设计 3.1 信号传输速度 在传统的电子产品应用中,应用频率大多数集中在 1GHz 以下,传统 FR-4 材料的 DK/Df 特性足以满足其要求, 而常被 PCB 和终端厂商设计者所忽视其较高 DK/Df 带来的负面影响。随着电子产品信息处理的高速化和多功能化,应用频率 不断提高,2GHz 及 3-6GHz 将成为主流,基板材料不再是扮演传统意义下的机械 支撑角色, 而将与电子组件一起成为 PCB 和终端厂商设计者提升产品性能的一个 重要途径,是因为高频下的信号传输速度与 DK 的平方根成反比关系,其简单关

系式如下:

V:信号传输速度,K:常数,C:光速,DK:基板的介电常数 或者说信号传输延迟时间与 DK 的平方根成正比,DK 越高,其信号传输延迟 现象越严重,其简单关系如下:

Tpd:传输延迟时间,L:信号传输长度,ε eff:实际相对介电常数(在带状 线的情况下,ε eff=DK),C:光速 另外,信号传输速度还与 PCB 设计的特性阻抗有关,一般阻抗越大,信号传 输越快,简单抽象地说就是阻抗越在,即阻止信号渗入介电层的能力越大,其信 号传输就快。带状线的特性阻抗 Z0 计算公式:

从特性阻抗 Z0 计算公式可看出,减少线宽、降低铜厚、提高介电层厚 及降低介电层 DK 均可提高 Z0,为了提高信号传输速度,这些均已成为 PCB 设计 者必须考虑的因素。 3.2 信号传输损失 简单地讲, 信号传输损失就是信号在传输过程中,部分信号转化为热能并损 失到介电层中去了,如果信号传输损失大,说明传输的信号变弱,会影响信号传 输之完整性, 导致话间不清晰或图像失真等现象,所以 PCB 设计者在设计时必须 考虑到信号的传输损失,而信号的传输损失(a)一般认为包括导体损失(ac)

和介质损失(ad):

以上公式中有几个概念先进行说明: 集肤效应(skin effect):在高频信号进行传输时,信号的交换频率极快, 会使导线产生电磁感应, 尤其在导线横段面中心处的电感较大,使得此位置的电 流或信号的通过变得极少, 而通过导线传输的电流或信号,绝大数集中在导线的 表皮,此种现象叫做“集肤效应”,又称“表皮效应”。

表皮厚度(skin depth)和表皮电阻(skin resistance):由于集肤效应 的产生, 高频信号在导线的表面上传输的有效截面积变小,集中在导线的外表皮 (其厚度叫表皮厚度),如果频率越高,具有实际传输的表皮厚度变得越薄,导 线表皮上的电阻(叫表皮电阻 Rs)相应变大,信号传输损失增加,此点可从表 皮厚度和表皮电阻的计算公式得到体现,随着频率升高,表皮厚度变薄,而表皮 电阻升高,从而导致在导线中传输的高频信号以热能形式散失得越多。 在高频信号传输中,因集肤效应造成的信号损失是导体损失的主要形式之 一,所以在高频应用时,选用铜箔时其粗糙度 Rz 要特别低,VLP 铜箔是较佳的 选择。另外高介电层 DK 也是导体损失的主要形式之一,对于 PCB 设计者来说, 降低介电层 DK 也是降低导体内的损失还与导体的厚度、宽度和介电层的厚度及 特性阻抗有关, 其实还与互相连接的各导线之特性阻抗的一致性有关,因为如果 不一致的阻抗会导致信号在传输过程中发生发射噪声而影响信号传输的真实性,

实际上这是 PCB 阻抗设计的主要目的之一。 在高频信号传输过程中, 介质损失相对导体损失要大很多,占了传输损失的 大部分, 因为介电层中的微量电荷能在高频下形成电导而导致信号以热能散失在 介电层中。从介质损失的公式可得知,随着频率升高、DK 升高及 Df 升高,介质 损失随着增加,祝大同专家在《高速、高频 PCB 用基板材料评价与选择》一文中 对此关系作了详细的分析,如有不说之处,可查阅此文。根据以上之分析,选择 具有较低 DK/Df 之基板材料,成为 PCB 设计者降低信号传输损失的重要途径。 3.3 低 DK/Df 基板材料的设计与开发 为了能迅速占有一定的高频应用市场,欧美和日本 CCL 对 Low DK/Df 材料进 行如火如荼的开发工作,并向市场推出各种各样的 Low DK/Df 基板材料,综观 CCL 业界开发 Low DK/Df 之设计开发思路,大体总括如下表 2、3、表 4 和图 6:

上表中只提了一些典型厂商之典型产品,有很多家的产品并没有提到,如 ARLON 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 GML1000 等。

据表 2、 和图 6,可对 DK/Df 与树脂/增强材料设计对应关系总结如下表 4: 3 各种树脂基板材料的特性、应用及市场价位状况如下表 5:

综上所述,由于 PTFE 分子结构对称而极性非常低,其介电性能最好(DK/Df 最低),普遍应用在高频无线通讯上(特别是军用),但其单价太贵且 PCB 之 Desmear 和孔壁镀铜性能差而使其应用受到一定的限制;而对其它工程塑料(如 PBD,PS,PPO 等)进行热固性改性并和 Epoxy 进行共混改性之材料,由于 PPO 等工程塑料之分子结构对称,或分子结构多为极性较低的脂肪族烃键连结,其 DK/Df 也较低,具有较好的介电性能,且成本相对 PTFE 低一些,另共混之 Epoxy 提供了良好的 CCL 和 PCB 加工性,所以被业界广泛研究及已被市场大批量应用, 并有部分取代 PTFE 材料之趋势。 4.联茂电子高频基板材料的开发 近几年以来,联茂电子除了大力开发 Hihg Tg、Mid Tg、Normal Tg 及无卤

等无铅基板材料之外, 一直致力于研究开发适于高频应用的无铅基板材料,以打 破欧美及日本 CCL 霸占高频基板市场之局面,并于 2006 年成功开发 DK/DfO 3.6/0.004(1GHz)之材料,已开始量产送样给客户评估。 由于 epoxy 采用传统 Dicy 或 phenolic 固化后会产生 OH 极性基团而导致其 DK/Df 较高,但其成本较低,而传统改性 epoxy 降低 DK/Df 用之 CE、PI(含 BMI) 和 APPE(或 TPPE)等树脂均相当昂贵,影响这些材料的应用普及,而联茂电子 选择独特的开发思路, 采用独特的配方技术,研制了一种特性优异且成本相对市 场面上同类产品成本低几成的 Low DK/Df 基板材料,并可适于无铅制程,其基板 特性如下表 6:

此产品树脂结构采用极性非常低的分子结构, 其吸水率较低, 特别是 PCT 8hr 后的吸水率也仅 0.04%, 说明此产品适合于高湿环境下的高频应用,因为水的 DK 达到 70,微量的水份均能较大幅度的提高基板材料的 DK,从而影响信号传输速 度和增加传输损失。PCT 吸水率资料如图 7。

由于此产品之树脂具有低极性的分子结构, 即使高频下也不会因产生较大的 电子极化、原子极化、取向极化及较高的电导而导致较高的 DK/Df,从 DK/Df 随 频率的变化趋势图(图 8)来看,其 DK/Df 随着频率的变化趋势比较平缓,特别 适合于高频应用(1-10GHz)。

该产品具有较低的 CTE(50-260C,3.4%),可以应用在具有更高集成度的 高频应用板上, 如可制作 12 层或 16 层板等来取代传统高频应用的四、 六层板 (最 多是 8 层板),符合未来高频板的发展趋势。 5.结论 综上所述,根据本文中介绍的 DK/Df 之定义及其各项影响因素之影响规律, 业界可从分子结构角度设计具有性价比优良的 Low loss 之基板材料,来实现高 频应用的普及化, 从而加快信息科学技术的发展及对人类生活的不断渗透,使人 类生活变得更丰富多彩。 特别是希望同行能充分利用国内理论研究的优势,加快 工业应用研究,以提升国内行业技术水准,我想联茂电子就是其中一例,不过还 有很多地方需要与国内同行携手合作,继续勇于创新,共同提高国内 CCL 的技术 水平!


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