高頻基材及其PCB產(chǎn)品制造技術(shù)簡介

11三月2024高頻基材及其PCB產(chǎn)品制造技術(shù)簡介目錄高速高頻信號傳輸——高頻材料的應(yīng)用背景高速高頻信號傳輸——對導(dǎo)線粗糙度和CCL的要求傳統(tǒng)FR4基材應(yīng)用的局限性高頻PCB基材的種類和特點(diǎn)高頻基材評估驗(yàn)證的方向高頻PCB制造工藝技術(shù)探討高速高頻信號傳輸——高頻材料的應(yīng)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。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(yīng)用背景MARKET無線通訊基站、天線放大器RFID消費(fèi)電子軍工產(chǎn)品高速高頻信號傳輸——高頻材料的應(yīng)用背景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(yīng)用背景高速高頻信號傳輸——高頻材料的應(yīng)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(jié)構(gòu)：包括高性能特殊板材、P片+普通性能板材及P片混壓結(jié)構(gòu)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。高速高頻信號傳輸——高頻材料的應(yīng)用背景雙面板；多層板高速高頻信號傳輸——高頻材料的應(yīng)用背景高頻基材+普通FR4基材的混合型多層板高速高頻信號傳輸——高頻材料的應(yīng)用背景高頻基材+金屬基的高頻金屬基印制板。對于微波PCB的高速、高頻化的特性，主要通過兩方面的技術(shù)途徑：（1）使這種發(fā)展成為高密度布線微細(xì)導(dǎo)線及間距、微小孔徑、薄形以及導(dǎo)通、絕緣的高可靠性。這樣可以進(jìn)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(zhǔn)確控制的工藝方法，以此來達(dá)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(yīng)用背景高速高頻信號傳輸——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(fù)合”而組成的，因此組成和結(jié)構(gòu)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(gè)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(dǎo)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)：高速高頻信號傳輸——對CCL的要求介電常數(shù)高速高頻信號傳輸——對CCL的要求高頻線路中的信號傳播高速高頻信號傳輸——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)。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(fù)合材料，其組成和結(jié)構(gòu)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(dòng)程度。要在PCB導(dǎo)線中獲得穩(wěn)定速度的傳輸信號，如采用薄型結(jié)構(gòu)的扁平式的玻纖布、結(jié)構(gòu)和樹脂與無機(jī)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(dòng)小。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?dǎo)體與地層之間存在著電感（L）、電容（C）、電阻（R）和電導(dǎo)（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(jié)果便導(dǎo)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。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(jié)構(gòu)和帶狀線結(jié)構(gòu)的特性阻抗示意圖及其關(guān)系式如下：H——介質(zhì)層厚度；Ln——自然對數(shù)；W——導(dǎo)線（體）寬度；T——導(dǎo)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(jié)構(gòu)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。高速高頻信號傳輸——對CCL的要求介質(zhì)損耗高速高頻信號傳輸——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(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，此相角的正切值即為損耗因子Df，由介質(zhì)電導(dǎo)和介質(zhì)極化的滯后效應(yīng)引起的能力損耗叫做介質(zhì)損耗。Df越高，滯后效應(yīng)越明顯。

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(guān)系導(dǎo)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(shí)的頻率大小相關(guān)。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(jì)，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(dāng)然，在PCB板中的總損耗（a）是導(dǎo)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(dǎo)熱外）熱的根本原因。CCL中介質(zhì)損耗（ad）的影響在高頻化和高速數(shù)字化的信號傳輸?shù)倪^程中，介質(zhì)厚度主要是影響串?dāng)_（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(shí)，便會(huì)發(fā)生串?dāng)_（噪音），程度將隨著厚度增加而嚴(yán)重化，因此必須選擇合適的厚度。2）串?dāng)_（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?dāng)_（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(yán)重化，這是因?yàn)楫a(chǎn)生的串?dāng)_（噪音）的頻率（單位時(shí)間內(nèi)的次數(shù)）的累計(jì)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(jié)構(gòu)、組成和厚度的均勻性和波動(dòng)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(gè)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(yīng)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(dòng)。高速高頻信號傳輸——對導(dǎo)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(jié)合力、耐熱性和減少滑動(dòng)而引起的內(nèi)應(yīng)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(jìn)行粗糙化處理，可增加與樹脂接觸“比表面積”來達(dá)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。高速高頻信號傳輸——對導(dǎo)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(yīng)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(guān)系式如公式2.趨膚效應(yīng)是指信號的頻率傳輸越快，信號傳輸就越來越接近導(dǎo)體的表面。高頻化的趨膚效應(yīng)。越來越嚴(yán)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(dǎo)體內(nèi)傳輸厚度嚴(yán)重性如下表所示。高速高頻信號傳輸——對導(dǎo)線粗糙度的要求CCL中銅箔表面粗糙度的影響當(dāng)信號傳輸頻率在500MHZ時(shí)，其信號在導(dǎo)線表面的傳輸厚度為3um，CCL銅箔底部粗糙度為3mm~5mm時(shí)，信號傳輸僅在粗糙度的厚度范圍內(nèi)進(jìn)行；當(dāng)信號傳輸頻率提高到1GHZ時(shí)，其信號在導(dǎo)線表面的傳輸厚度為2.1mm左右，當(dāng)然其信號傳輸更是在粗糙度的厚度范圍內(nèi)進(jìn)行；當(dāng)信號傳輸頻率提高到10GHZ時(shí)，其信號在導(dǎo)線表面的傳輸厚度為0.7mm左右，當(dāng)然其信號傳輸更是在粗糙度的厚度范圍內(nèi)進(jìn)行；當(dāng)傳輸信號僅在“粗糙度”的尺寸層內(nèi)進(jìn)行傳輸時(shí)，那么必然產(chǎn)生嚴(yán)重的信號“駐波”和“反射”等，使信號造成損失，甚至形成嚴(yán)重或完全失真。為了減小這種“失真”，需要更嚴(yán)格控制導(dǎo)線粗糙度。高速高頻信號傳輸——對導(dǎo)線粗糙度的要求CCL中銅箔表面粗糙度的影響高速高頻信號傳輸——對導(dǎo)線粗糙度的要求信號損失的幾個(gè)組成因素傳統(tǒng)FR4基材應(yīng)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(yīng)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(diǎn)：基材樹脂DkDfCTE/(ppm/℃)吸水率/%Tg/℃,DSCx,y-axialz-axial1MHz先進(jìn)電子設(shè)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(tuán)環(huán)氧4.20.01514501.5180傳統(tǒng)FR4基材應(yīng)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(yīng)用。傳統(tǒng)FR4基材應(yīng)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(shí)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(dòng)(信號帶闊度)最大。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(yīng)用的局限性

PN固化、Filler的添加是對信號損失影響很大。傳統(tǒng)FR4基材應(yīng)用的局限性CCL廠商對高頻材料進(jìn)行了長期的改善。但出于CCL的結(jié)構(gòu)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(jìn)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(yīng)，采用低粗糙度的反轉(zhuǎn)銅箔等。傳統(tǒng)FR4基材應(yīng)用的局限性高頻基材的種類和特點(diǎn)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(tuán)的濃度；環(huán)氧樹脂中加入雙鍵結(jié)構(gòu)，使樹脂分子不易旋轉(zhuǎn)；或引入占有空間體積較大的基團(tuán)或高分子非極性樹脂等方法，降低極性基團(tuán)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(jìn)行改性，聚苯醚（PPO）分子結(jié)構(gòu)中含有重復(fù)的苯環(huán)與醚鍵，且具有對稱結(jié)構(gòu)，在大分子中沒有強(qiáng)極性基團(tuán)，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(dá)到降低εr和tanδ的目的。高頻基材的種類和特點(diǎn)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(yīng)過程中，可在交聯(lián)點(diǎn)間生成含有OH等極性基團(tuán)，它們對介質(zhì)的εr和tanδ均有強(qiáng)烈影響。降低交聯(lián)點(diǎn)間極性基團(tuán)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(zhuǎn)變溫度，這也是PCB基板所需要的。高頻基材的種類和特點(diǎn)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(jié)構(gòu)為四個(gè)完全對稱的取向氟原子中心連接一個(gè)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(xué)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(fù)合材料中，其Dk隨PTFE樹脂重量百分?jǐn)?shù)的增加而減少；Df隨樹脂含量增加顯著減少。高頻基材的種類和特點(diǎn)玻璃纖維改性：玻纖增強(qiáng)材料是復(fù)合材料中力學(xué)強(qiáng)度的主要承擔(dān)者，一般來說其介電常數(shù)高于樹脂基體，又在復(fù)合材料中占有較高的體積含量，因此是決定復(fù)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(chǔ)成分都是SiO2、Al2O3、CaO三元系統(tǒng)。常溫下構(gòu)成玻璃網(wǎng)絡(luò)的硅氧或硼氧、鋁氧骨架無弱聯(lián)系離子幾乎不導(dǎo)電。但是網(wǎng)絡(luò)中充填了堿金屬離子時(shí)，點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)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(dú)使用并不合適。通過對不同品種的玻纖進(jìn)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。高頻基材的種類和特點(diǎn)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(jìn)基板整體結(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)除了上圖結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)外，還具有串音和電磁干擾更低的優(yōu)點(diǎn)。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(jié)構(gòu)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)。簡單列舉部分高頻材料如下：高頻基材的種類和特點(diǎn)高頻基材的種類和特點(diǎn)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(xué)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：高頻基材的種類和特點(diǎn)PCB設(shè)計(jì)的高頻材料選擇：建議在PCB設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)者選取板材考慮如下關(guān)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(dāng)穩(wěn)定、損耗因子較低、耐熱特性好、加工工藝與FR4相當(dāng)。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。信號完整性改善高頻基材的種類和特點(diǎn)PCB設(shè)計(jì)的高頻材料選擇：無鹵FR-4（G1）標(biāo)準(zhǔn)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(diǎn)PCB設(shè)計(jì)的高頻材料選擇：常