高頻基材及其PCB產(chǎn)品制造技術簡介

高頻基材及其PCB產(chǎn)品制造技術簡介

5/14/2023目前一頁\總數(shù)四十八頁\編于十五點目錄高速高頻信號傳輸——高頻材料的應用背景高速高頻信號傳輸——對導線粗糙度和CCL的要求傳統(tǒng)FR4基材應用的局限性高頻PCB基材的種類和特點高頻基材評估驗證的方向高頻PCB制造工藝技術探討目前二頁\總數(shù)四十八頁\編于十五點高速高頻信號傳輸——高頻材料的應用背景高頻顧名思義指頻率相對較高，一般指頻率≥300MHz(即波長≤1m)的頻帶，即指通常的無線電頻率帶。而頻率≥1GHz的電磁波稱作微波。目前三頁\總數(shù)四十八頁\編于十五點Typicalfrequenciesforwirelessapplications:

◆Currentmobile:0.9GHz-2GHz

◆3Gsystems:2.5GHz

◆Bluetooth:2.5GHz

◆GPS:12.6GHz

◆LMDS:24GHzand40GHz

◆Automotive:77GHz高速高頻信號傳輸——高頻材料的應用背景目前四頁\總數(shù)四十八頁\編于十五點MARKET無線通訊基站、天線放大器RFID消費電子軍工產(chǎn)品高速高頻信號傳輸——高頻材料的應用背景目前五頁\總數(shù)四十八頁\編于十五點3G多功能無線高頻高速高頻材料高速高頻信號傳輸——高頻材料的應用背景目前六頁\總數(shù)四十八頁\編于十五點高速高頻信號傳輸——高頻材料的應用背景高頻(微波)印制板即指在高頻(微波)基材覆銅板上加工制造成的印制板，目前常見的類型有：雙面板；多層板；混合結構：包括高性能特殊板材、P片+普通性能板材及P片混壓結構板;高頻基材+普通FR4基材的混合型多層板；高頻基材+金屬基的高頻金屬基印制板。目前七頁\總數(shù)四十八頁\編于十五點高速高頻信號傳輸——高頻材料的應用背景雙面板；多層板目前八頁\總數(shù)四十八頁\編于十五點高速高頻信號傳輸——高頻材料的應用背景高頻基材+普通FR4基材的混合型多層板目前九頁\總數(shù)四十八頁\編于十五點高速高頻信號傳輸——高頻材料的應用背景高頻基材+金屬基的高頻金屬基印制板。目前十頁\總數(shù)四十八頁\編于十五點對于微波PCB的高速、高頻化的特性，主要通過兩方面的技術途徑：（1）使這種發(fā)展成為高密度布線微細導線及間距、微小孔徑、薄形以及導通、絕緣的高可靠性。這樣可以進一步縮短信號傳輸?shù)木嚯x，以減少它在傳輸中的損失。（2）采用具有高速、高頻特性的基板材料。這要求開展對這類基板材料比較深入的了解、研究工作找出并掌握準確控制的工藝方法，以此來達到所選用的基板材料與的制造工藝、性能及成本要求能夠?qū)崿F(xiàn)合理匹配的目的。高速高頻信號傳輸——高頻材料的應用背景目前十一頁\總數(shù)四十八頁\編于十五點高速高頻信號傳輸——對CCL的要求由于PCB基板的介質(zhì)層是由不同的介電常數(shù)物質(zhì)“復合”而組成的，因此組成和結構不同，其介質(zhì)層的介電常數(shù)是不同的。世間的所有物質(zhì)都存在著介電常數(shù)，只是介電常數(shù)值大小不同而已。介電常數(shù)又可稱為電容率，它表征著電介質(zhì)在外界電場作用下電極化性質(zhì)的一個物理量。用于高頻化和高速數(shù)字化信號傳輸?shù)腜CB介質(zhì)層，不僅單純起著導體之間的絕緣層作用，而且更重要地是起著“特性阻抗”作用，還影響著信號的傳輸速度、信號衰減和發(fā)熱等問題。相對介電常數(shù)：目前十二頁\總數(shù)四十八頁\編于十五點高速高頻信號傳輸——對CCL的要求介電常數(shù)目前十三頁\總數(shù)四十八頁\編于十五點高速高頻信號傳輸——對CCL的要求高頻線路中的信號傳播目前十四頁\總數(shù)四十八頁\編于十五點高速高頻信號傳輸——對CCL的要求

高頻線路中的信號傳播速度公式：

降低Dk，有利于提高信號的傳播速度。V：信號傳播速度；K：常數(shù)；C：真空中的光速；Dk：基板的介電常數(shù)。目前十五頁\總數(shù)四十八頁\編于十五點高速高頻信號傳輸——對CCL的要求可以看出，基板介電常數(shù)越低，信號傳播得越快，因此要得到高的信號傳輸速率，就必須研究開發(fā)低而均勻的介電常數(shù)基板材料。由于CCL中的介質(zhì)層是玻纖布、樹脂等組成的復合材料，其組成和結構等因素決定了各處的介電常數(shù)值是不同的。因此，信號在介質(zhì)層中的傳輸速度是在變化著，其變化程度是取決于各處的介電常數(shù)值的波動程度。要在PCB導線中獲得穩(wěn)定速度的傳輸信號，如采用薄型結構的扁平式的玻纖布、結構和樹脂與無機填料等來獲得均勻性好的介質(zhì)層，使各處的介電常數(shù)值趨于一致性，才能使高頻化和高速數(shù)字化的信號傳輸速度波動小。目前十六頁\總數(shù)四十八頁\編于十五點高速高頻信號傳輸——對CCL的要求介質(zhì)層的介電常數(shù)對特性阻抗的影響由于在信號傳輸?shù)碾娐分械膶w與地層之間存在著電感（L）、電容（C）、電阻（R）和電導（G），從而形成了分布常數(shù)，并決定了特性阻抗值（Zr），如下式所示：式中的j為（-1）1/2，角頻率w=2∏f如果特性阻抗值（Z0

）發(fā)生變化，則傳輸信號便發(fā)生改變，這種信號改變的結果便導致信號“反射”、“駐波”而形成失真（噪聲）等?？梢哉f信號傳輸過程各處產(chǎn)生的信號“反射”、“駐波”的大小是由該處的特性阻抗值（Zr

）與控制（要求）特性阻抗值（Z0）之差來決定的。目前十七頁\總數(shù)四十八頁\編于十五點高速高頻信號傳輸——對CCL的要求介質(zhì)層的介電常數(shù)對特性阻抗的影響PCB中兩款常見的微帶線結構和帶狀線結構的特性阻抗示意圖及其關系式如下：H——介質(zhì)層厚度；Ln——自然對數(shù)；W——導線（體）寬度；T——導線（體）厚度。我們已經(jīng)知道介電常數(shù)變化對特性阻抗值的變化。因此在生產(chǎn)PCB過程中對介質(zhì)層的介電常數(shù)和厚度的變化情況和結構必須給于充分的注意與合適的選擇，才能獲得客戶滿意要求。目前十八頁\總數(shù)四十八頁\編于十五點高速高頻信號傳輸——對CCL的要求介質(zhì)損耗目前十九頁\總數(shù)四十八頁\編于十五點高速高頻信號傳輸——對CCL的要求介質(zhì)損耗介質(zhì)損耗

(tanδ、Df)亦稱損耗因子、介質(zhì)損耗角正切。一般定義有：絕緣材料或電介質(zhì)在交變電場中，由于介質(zhì)電導和介質(zhì)極化的滯后效應，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，此相角的正切值即為損耗因子Df，由介質(zhì)電導和介質(zhì)極化的滯后效應引起的能力損耗叫做介質(zhì)損耗。Df越高，滯后效應越明顯。

目前二十頁\總數(shù)四十八頁\編于十五點高速高頻信號傳輸——對CCL的要求PCB上的信號傳輸損失與基板材料性質(zhì)的關系導體電路上的傳輸損失中的介質(zhì)損失主要是受到基板材料絕緣層的介電常數(shù)（εr）、介質(zhì)損失因數(shù)（tanδ）所支配的。對傳輸損失的影響與εr、tanδ的大小成正比，并與介質(zhì)工作時的頻率大小相關。目前二十一頁\總數(shù)四十八頁\編于十五點高速高頻信號傳輸——對CCL的要求隨著頻率增加，基板中的損耗不能再忽略不計，信號的傳播損耗或衰減可以表示成：式中：Ad——信號傳播衰減，單位為dB/m；εr——基板的介電常數(shù)；tanδ——基板的介質(zhì)損耗因數(shù)或Df；f——頻率CCL中介質(zhì)損耗（ad）的影響目前二十二頁\總數(shù)四十八頁\編于十五點高速高頻信號傳輸——對CCL的要求介質(zhì)損耗（ad）大小就意味著信號傳輸?shù)乃p程度，這種信號傳輸?shù)乃p往往是產(chǎn)生熱而消耗，信號衰減和熱耗必然隨著高頻化和高速數(shù)字化的信號傳輸而迅速增加。因此，對于高頻化和高速數(shù)字化的信號傳輸來說，介質(zhì)損耗（ad）越小越好，因此要求CCL的介質(zhì)層的介質(zhì)損耗（ad）、介電常數(shù)、特別是介質(zhì)損耗角正切越小越好。當然，在PCB板中的總損耗（a）是導電損耗（ac）和介質(zhì)損耗（ad）之和。a=ac+ad這就是PCB在使用過程中內(nèi)部產(chǎn)生（除了元器件發(fā)熱和傳導熱外）熱的根本原因。CCL中介質(zhì)損耗（ad）的影響目前二十三頁\總數(shù)四十八頁\編于十五點在高頻化和高速數(shù)字化的信號傳輸?shù)倪^程中，介質(zhì)厚度主要是影響串擾（噪音）、特性阻抗值（Z0）和絕緣性能。1）在確定線寬/間距（L/S）下，介質(zhì)厚度太厚時，便會發(fā)生串擾（噪音），程度將隨著厚度增加而嚴重化，因此必須選擇合適的厚度。2）串擾（噪音）的影響將隨著線寬/間距（L/S）的縮小或隨著PCB高密度化的持續(xù)發(fā)展和傳輸信號的高頻化和高速數(shù)字化的發(fā)展要求介質(zhì)厚度必須不斷薄型化。3）串擾（噪音）的影響將隨著傳輸信號的高頻化和高速數(shù)字化的發(fā)展而嚴重化，這是因為產(chǎn)生的串擾（噪音）的頻率（單位時間內(nèi)的次數(shù)）的累計而明顯增加了。CCL中介質(zhì)厚度對信號傳輸?shù)挠绊懜咚俑哳l信號傳輸——對CCL的要求目前二十四頁\總數(shù)四十八頁\編于十五點CCL中介質(zhì)厚度對特性阻抗的影響高速高頻信號傳輸——對CCL的要求介質(zhì)層厚度（H）對特性阻抗值的影響主要表現(xiàn)在厚度大小、組成和厚度均勻性方面：介質(zhì)層厚度（H）的增加，特性阻抗值呈“5.98倍自然對數(shù)”增加著，這是影響特性阻抗值的主要因素。介質(zhì)層厚度（H）結構、組成和厚度的均勻性和波動變化程度影響著特性阻抗值。如在相同厚度的介質(zhì)層下，分別由106、1080、2116或7628等與樹脂組成的介質(zhì)層，其特性阻抗值是不相同的。因此可以理解PCB各個介質(zhì)層中各處的特性阻抗值是不一樣的。所以，在高頻化和高速數(shù)字化的信號傳輸?shù)腜CB產(chǎn)品，應該選擇薄型玻纖布或開纖扁平MS）布為宜，可以減小特性阻抗值的波動。目前二十五頁\總數(shù)四十八頁\編于十五點高速高頻信號傳輸——對導線粗糙度的要求CCL中銅箔表面粗糙度的影響為了提高CCL中不同材料介面之間的結合力、耐熱性和減少滑動而引起的內(nèi)應力集中，大多采用在CCL中樹脂（或介質(zhì)層）與銅箔接合的介面進行粗糙化處理，可增加與樹脂接觸“比表面積”來達到目的。與樹脂接觸的銅箔表面處理后的粗糙度如下表1示。目前二十六頁\總數(shù)四十八頁\編于十五點高速高頻信號傳輸——對導線粗糙度的要求CCL中銅箔表面粗糙度的影響隨著信號傳輸高頻化和高速數(shù)字化的發(fā)展，趨膚效應已經(jīng)越來越大地影響著信號傳輸?shù)馁|(zhì)量和可靠性，其信號傳輸厚度（d）的關系式如公式2.趨膚效應是指信號的頻率傳輸越快，信號傳輸就越來越接近導體的表面。高頻化的趨膚效應。越來越嚴重，傳輸信號損失越來越大。隨著信號傳輸頻率的提高，其在導體內(nèi)傳輸厚度嚴重性如下表所示。目前二十七頁\總數(shù)四十八頁\編于十五點高速高頻信號傳輸——對導線粗糙度的要求CCL中銅箔表面粗糙度的影響當信號傳輸頻率在500MHZ時，其信號在導線表面的傳輸厚度為3um，CCL銅箔底部粗糙度為3mm~5mm

時，信號傳輸僅在粗糙度的厚度范圍內(nèi)進行；當信號傳輸頻率提高到1GHZ時，其信號在導線表面的傳輸厚度為2.1mm左右，當然其信號傳輸更是在粗糙度的厚度范圍內(nèi)進行；當信號傳輸頻率提高到10GHZ時，其信號在導線表面的傳輸厚度為0.7mm

左右，當然其信號傳輸更是在粗糙度的厚度范圍內(nèi)進行；當傳輸信號僅在“粗糙度”的尺寸層內(nèi)進行傳輸時，那么必然產(chǎn)生嚴重的信號“駐波”和“反射”等，使信號造成損失，甚至形成嚴重或完全失真。為了減小這種“失真”，需要更嚴格控制導線粗糙度。目前二十八頁\總數(shù)四十八頁\編于十五點高速高頻信號傳輸——對導線粗糙度的要求CCL中銅箔表面粗糙度的影響目前二十九頁\總數(shù)四十八頁\編于十五點高速高頻信號傳輸——對導線粗糙度的要求信號損失的幾個組成因素目前三十頁\總數(shù)四十八頁\編于十五點傳統(tǒng)FR4基材應用的局限性傳統(tǒng)PCB基材多采用酚醛樹脂和環(huán)氧樹脂，目前應用最廣泛的是玻璃纖維環(huán)氧樹脂(FR-4)。此類PCB板可在低頻電子產(chǎn)品中很好使用，但在高頻電路中，傳統(tǒng)PCB板基材樹脂的主要性能逐漸暴露出一些缺點：基材樹脂DkDfCTE/(ppm/℃)吸水率/%Tg/℃,DSCx,y-axialz-axial1MHz先進電子設備要求<3.5<0.01<15<60<2.0≥180酚醛5.50.04——2.5120環(huán)氧4.70.0216602.2130酚醛環(huán)氧4.40.05——2.3130多官能團環(huán)氧4.20.01514501.5180目前三十一頁\總數(shù)四十八頁\編于十五點傳統(tǒng)FR4基材應用的局限性傳統(tǒng)FR-4基材的Dk/Df較大且隨頻率變化明顯，信號傳輸損耗大，不適合高頻高速應用。目前三十二頁\總數(shù)四十八頁\編于十五點傳統(tǒng)FR4基材應用的局限性

采取不同固化體系的三種基材(Dicy固化、PN固化及非Dicy非PN固化)、時域分析測試線寬4mil、線長15inch、傳送速率3.125Gbps的帶狀線的瞪眼圖如下：非DICY非PN固化基材的眼狀高度(噪音容量)最大；PN固化體系基材的抖動(信號帶闊度)最大。目前三十三頁\總數(shù)四十八頁\編于十五點Df對信號完整性傳輸影響很大，目前客戶對Df尤為重視。傳統(tǒng)FR4基材應用的局限性目前三十四頁\總數(shù)四十八頁\編于十五點

PN固化、Filler的添加是對信號損失影響很大。傳統(tǒng)FR4基材應用的局限性目前三十五頁\總數(shù)四十八頁\編于十五點CCL廠商對高頻材料進行了長期的改善。但出于CCL的結構組成，不外乎下述幾種思路：采取極性更低、Dk/Df更小的樹脂體系；如進行環(huán)氧樹脂的改性(聚苯醚改性環(huán)氧樹脂、氰酸酯改性環(huán)氧樹脂)或換用其它樹脂(聚四氟乙烯、聚苯醚和改性聚苯醚、氰酸酯樹脂)。采用Dk更低而且均勻性一致的玻璃布材料；如扁平式玻璃布等。為了減少肌膚效應，采用低粗糙度的反轉銅箔等。傳統(tǒng)FR4基材應用的局限性目前三十六頁\總數(shù)四十八頁\編于十五點高頻基材的種類和特點通常的改性方法有：增加支鏈數(shù)，增大材料的自由體積，降低極性基團的濃度；環(huán)氧樹脂中加入雙鍵結構，使樹脂分子不易旋轉；或引入占有空間體積較大的基團或高分子非極性樹脂等方法，降低極性基團的含量，提高其介電性能。樹脂改性：聚苯醚改性環(huán)氧樹脂使用改性聚苯醚對環(huán)氧樹脂進行改性，聚苯醚（PPO）分子結構中含有重復的苯環(huán)與醚鍵，且具有對稱結構，在大分子中沒有強極性基團，電氣絕緣性能優(yōu)良，εr只有2.45PPO摻混改性環(huán)氧體系，提高改性環(huán)氧覆銅板的介電性能，達到降低εr和tanδ的目的。目前三十七頁\總數(shù)四十八頁\編于十五點高頻基材的種類和特點樹脂改性：2.氰酸酯改性環(huán)氧樹脂環(huán)氧樹脂在固化反應過程中，可在交聯(lián)點間生成含有OH等極性基團，它們對介質(zhì)的εr和tanδ均有強烈影響。降低交聯(lián)點間極性基團的濃度，可以降低tanδ。在不減少環(huán)氧樹脂體系交聯(lián)密度的前提下，降低體系中OH的含量。在樹脂體系中加入氰酸酯，可降低樹脂固化體系中OH的濃度，提高了體系固化物的玻璃化轉變溫度，這也是PCB基板所需要的。目前三十八頁\總數(shù)四十八頁\編于十五點高頻基材的種類和特點樹脂改性：3.聚四氟乙烯樹脂聚四氟乙烯（PTFE）是一種超高分子量的聚合物，其分子結構為四個完全對稱的取向氟原子中心連接一個碳原子，Dk只有2.0（1MHz），加上C-F鍵的鍵能很高，其耐熱性好。具有優(yōu)良的電氣性能、耐化學腐蝕、耐熱、吸水性低。高頻率范圍內(nèi)Dk、Df變化小，非常適用于作為高速數(shù)字化和高頻的基板材料。在PTFE和玻璃纖維布組成的復合材料中，其Dk隨PTFE樹脂重量百分數(shù)的增加而減少；Df隨樹脂含量增加顯著減少。目前三十九頁\總數(shù)四十八頁\編于十五點高頻基材的種類和特點玻璃纖維改性：玻纖增強材料是復合材料中力學強度的主要承擔者，一般來說其介電常數(shù)高于樹脂基體，又在復合材料中占有較高的體積含量，因此是決定復合材料介電性能的主要因素。目前，世界各國生產(chǎn)玻璃纖維織物組成大體相同，其基礎成分都是SiO2、Al2O3

、CaO三元系統(tǒng)。常溫下構成玻璃網(wǎng)絡的硅氧或硼氧、鋁氧骨架無弱聯(lián)系離子幾乎不導電。但是網(wǎng)絡中充填了堿金屬離子時，點陣結構在堿金屬離子處中斷，產(chǎn)生熱離子極化。這是影響玻璃介電性能的主要因素。目前通常采用的是無堿玻纖E玻纖，其介電常數(shù)為7.2（1MHz），不能滿足高頻電路的要求。采用的辦法是混雜，除了E玻纖外，還有介電性能優(yōu)秀的D玻纖（Dk＝4.7，1MHz）和Q玻纖（Dk＝3.9，1MHz），但是它們加工性能和成本較高，單獨使用并不合適。通過對不同品種的玻纖進行合理的選配，要求既保證優(yōu)良的低介電性能、加工性能，又能很好地解決工業(yè)化生產(chǎn)的成本問題。目前四十頁\總數(shù)四十八頁\編于十五點高頻基材的種類和特點調(diào)整PCB介質(zhì)布層：除了對基板本身材料的改性外，還可以通過改進基板整體結構，調(diào)整多層介質(zhì)的分布，改善其介電性能。合理調(diào)整多層介質(zhì)的分布，可以在減小成本的前提下提高基板的介電性能。常用的四層混合介質(zhì)布層方法。其中，外層是LowDk和LowDf的高頻介質(zhì)。這種結構可以很好的控制阻抗，信號損失約為FR4的10%，信號傳播速度比FR-快10%，可以使總成本降低25%。四層混合介質(zhì)帶狀線布層，多用于數(shù)字電路。這種結構除了上圖結構的優(yōu)點外，還具有串音和電磁干擾更低的優(yōu)點。另外還可以在PCB的制造過程中控制阻抗，所以可以精確控制傳輸線的寬度，控制阻抗。但這種結構通常只適用于具有更好的抗噪聲能力的數(shù)字電路，可以承受一定的阻抗不連續(xù)。目前四十一頁\總數(shù)四十八頁\編于十五點簡單列舉部分高頻材料如下：高頻基材的種類和特點目前四十二頁\總數(shù)四十八頁\編于十五點高頻基材的種類和特點各種PCB常用材料的介電特性：PTFE＞CE基板（熱固性氰酸脂樹脂）＞PPO基板（熱固性聚苯醚樹脂）＞BT＞PI＞改性EP＞EP；各種PCB常用材料的信號傳輸速度：PTFE＞CE＞PPO＞改性EP＞BT＞PI＞EP；

PTFE具有優(yōu)良的電性能和良好的化學穩(wěn)定性，是最適用于微波通信和高速數(shù)字處理的高頻材料之一。高頻材料的性能比較：目前四十三頁\總數(shù)四十八頁\編于十五點高頻基材的種類和特點PCB設計的高頻材料選擇：建議在PCB設計中，設計者選取板材考慮如下關鍵因素：(1)工作在1GHz以下的PCB可以選用FR4，成本低、多層壓制板工藝成熟。(2)工作在622Mb/s以上的光纖通信產(chǎn)品和1G以上3GHz以下的，可以選用改性環(huán)氧樹脂材料，由于其介電常數(shù)比較穩(wěn)定、成本較低、多層壓制板工藝與FR4相同。以便于制作多層板且板材成本略高于FR4（高4分/cm2左右）。(3)3GHz以下的大信號微波電路如功率放大器和低噪聲放大器建議選用類似RO4350板材，RO4350介電常數(shù)相當穩(wěn)定、損耗因子較低、耐熱特性好、加工工藝與FR4相當。其板材成本略高于FR4（高6分/cm2左右）。(4)10GHz以上的微波電路如功率放大器、低噪聲放大器、上下變頻器等對板材要求更高，建議選用性能類似PTFE（美國/歐洲等多用）的板材，或FR4和高頻板組合粘接組成低成本、高性能層壓板。目前四十四頁\總數(shù)四十八頁\編于十五點信號完整性改善高頻基材的種類和特點PCB設計的高頻材料選擇：目前四十五頁\總數(shù)四十八頁\編于十五點無鹵FR-4（G1）標準FR-4高TgFR-4（G1）IsolaFR408IS415松下MegtronIsolaGetek&GetekHRBT環(huán)氧無鹵FR-4（G2）Megtron5N4000-13SIN4000-13IS620IT200DKArlon11NLG200LLNelcoN4360N4000-12IS625HitachiLX67RogersRO4350IsolaIS640SpeedboardCMegtron6ArlonFR25PTFETaconicRF35TLG30RO3000RO4230RO4003Df<0.003Df~0.003~0.005Df~0.005~0.007Df~0.010~0.020Df~0.007~0.010Df>0.020Tier6Tier5Tier4Tier3Tier2Tier1高頻基材的種類和特點PCB設計的高頻材料選擇：目前四十六頁\總數(shù)四十八頁\編于十五點常用高頻高速材料特性表型號Megt