高频基板材料之最新发展（论文） .docx

高频基板材料之最新发展 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（，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）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（tan，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：信号传输速度，：常数，：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，eff：实际相对介电常数（在带状线的情况下，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、3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：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