高频基材及其PCB产品制造技术简介

11三月2024高频基材及其PCB产品制造技术简介目录高速高频信号传输——高频材料的应用背景高速高频信号传输——对导线粗糙度和CCL的要求传统FR4基材应用的局限性高频PCB基材的种类和特点高频基材评估验证的方向高频PCB制造工艺技术探讨高速高频信号传输——高频材料的应用背景高频顾名思义指频率相对较高，一般指频率≥300MHz(即波长≤1m)的频带，即指通常的无线电频率带。而频率≥1GHz的电磁波称作微波。Typicalfrequenciesforwirelessapplications:

◆Currentmobile:0.9GHz-2GHz

◆3Gsystems:2.5GHz

◆Bluetooth:2.5GHz

◆GPS:12.6GHz

◆LMDS:24GHzand40GHz

◆Automotive:77GHz高速高频信号传输——高频材料的应用背景MARKET无线通讯基站、天线放大器RFID消费电子军工产品高速高频信号传输——高频材料的应用背景3G多功能无线高频高速高频材料高速高频信号传输——高频材料的应用背景高速高频信号传输——高频材料的应用背景高频(微波)印制板即指在高频(微波)基材覆铜板上加工制造成的印制板，目前常见的类型有：双面板；多层板；混合结构：包括高性能特殊板材、P片+普通性能板材及P片混压结构板;高频基材+普通FR4基材的混合型多层板；高频基材+金属基的高频金属基印制板。高速高频信号传输——高频材料的应用背景双面板；多层板高速高频信号传输——高频材料的应用背景高频基材+普通FR4基材的混合型多层板高速高频信号传输——高频材料的应用背景高频基材+金属基的高频金属基印制板。对于微波PCB的高速、高频化的特性，主要通过两方面的技术途径：（1）使这种发展成为高密度布线微细导线及间距、微小孔径、薄形以及导通、绝缘的高可靠性。这样可以进一步缩短信号传输的距离，以减少它在传输中的损失。（2）采用具有高速、高频特性的基板材料。这要求开展对这类基板材料比较深入的了解、研究工作找出并掌握准确控制的工艺方法，以此来达到所选用的基板材料与的制造工艺、性能及成本要求能够实现合理匹配的目的。高速高频信号传输——高频材料的应用背景高速高频信号传输——对CCL的要求由于PCB基板的介质层是由不同的介电常数物质“复合”而组成的，因此组成和结构不同，其介质层的介电常数是不同的。世间的所有物质都存在着介电常数，只是介电常数值大小不同而已。介电常数又可称为电容率，它表征着电介质在外界电场作用下电极化性质的一个物理量。用于高频化和高速数字化信号传输的PCB介质层，不仅单纯起着导体之间的绝缘层作用，而且更重要地是起着“特性阻抗”作用，还影响着信号的传输速度、信号衰减和发热等问题。相对介电常数：高速高频信号传输——对CCL的要求介电常数高速高频信号传输——对CCL的要求高频线路中的信号传播高速高频信号传输——对CCL的要求

高频线路中的信号传播速度公式：

降低Dk，有利于提高信号的传播速度。V：信号传播速度；K：常数；C：真空中的光速；Dk：基板的介电常数。高速高频信号传输——对CCL的要求可以看出，基板介电常数越低，信号传播得越快，因此要得到高的信号传输速率，就必须研究开发低而均匀的介电常数基板材料。由于CCL中的介质层是玻纤布、树脂等组成的复合材料，其组成和结构等因素决定了各处的介电常数值是不同的。因此，信号在介质层中的传输速度是在变化着，其变化程度是取决于各处的介电常数值的波动程度。要在PCB导线中获得稳定速度的传输信号，如采用薄型结构的扁平式的玻纤布、结构和树脂与无机填料等来获得均匀性好的介质层，使各处的介电常数值趋于一致性，才能使高频化和高速数字化的信号传输速度波动小。高速高频信号传输——对CCL的要求介质层的介电常数对特性阻抗的影响由于在信号传输的电路中的导体与地层之间存在着电感（L）、电容（C）、电阻（R）和电导（G），从而形成了分布常数，并决定了特性阻抗值（Zr），如下式所示：式中的j为（-1）1/2，角频率w=2∏f如果特性阻抗值（Z0）发生变化，则传输信号便发生改变，这种信号改变的结果便导致信号“反射”、“驻波”而形成失真（噪声）等。可以说信号传输过程各处产生的信号“反射”、“驻波”的大小是由该处的特性阻抗值（Zr

）与控制（要求）特性阻抗值（Z0）之差来决定的。高速高频信号传输——对CCL的要求介质层的介电常数对特性阻抗的影响PCB中两款常见的微带线结构和带状线结构的特性阻抗示意图及其关系式如下：H——介质层厚度；Ln——自然对数；W——导线（体）宽度；T——导线（体）厚度。我们已经知道介电常数变化对特性阻抗值的变化。因此在生产PCB过程中对介质层的介电常数和厚度的变化情况和结构必须给于充分的注意与合适的选择，才能获得客户满意要求。高速高频信号传输——对CCL的要求介质损耗高速高频信号传输——对CCL的要求介质损耗介质损耗(tanδ、Df)亦称损耗因子、介质损耗角正切。一般定义有：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，此相角的正切值即为损耗因子Df，由介质电导和介质极化的滞后效应引起的能力损耗叫做介质损耗。Df越高，滞后效应越明显。

高速高频信号传输——对CCL的要求PCB上的信号传输损失与基板材料性质的关系导体电路上的传输损失中的介质损失主要是受到基板材料绝缘层的介电常数（εr）、介质损失因数（tanδ）所支配的。对传输损失的影响与εr、tanδ的大小成正比，并与介质工作时的频率大小相关。高速高频信号传输——对CCL的要求随着频率增加，基板中的损耗不能再忽略不计，信号的传播损耗或衰减可以表示成：式中：Ad——信号传播衰减，单位为dB/m；εr——基板的介电常数；tanδ——基板的介质损耗因数或Df；f——频率CCL中介质损耗（ad）的影响高速高频信号传输——对CCL的要求介质损耗（ad）大小就意味着信号传输的衰减程度，这种信号传输的衰减往往是产生热而消耗，信号衰减和热耗必然随着高频化和高速数字化的信号传输而迅速增加。因此，对于高频化和高速数字化的信号传输来说，介质损耗（ad）越小越好，因此要求CCL的介质层的介质损耗（ad）、介电常数、特别是介质损耗角正切越小越好。当然，在PCB板中的总损耗（a）是导电损耗（ac）和介质损耗（ad）之和。a=ac+ad这就是PCB在使用过程中内部产生（除了元器件发热和传导热外）热的根本原因。CCL中介质损耗（ad）的影响在高频化和高速数字化的信号传输的过程中，介质厚度主要是影响串扰（噪音）、特性阻抗值（Z0）和绝缘性能。1）在确定线宽/间距（L/S）下，介质厚度太厚时，便会发生串扰（噪音），程度将随着厚度增加而严重化，因此必须选择合适的厚度。2）串扰（噪音）的影响将随着线宽/间距（L/S）的缩小或随着PCB高密度化的持续发展和传输信号的高频化和高速数字化的发展要求介质厚度必须不断薄型化。3）串扰（噪音）的影响将随着传输信号的高频化和高速数字化的发展而严重化，这是因为产生的串扰（噪音）的频率（单位时间内的次数）的累计而明显增加了。CCL中介质厚度对信号传输的影响高速高频信号传输——对CCL的要求CCL中介质厚度对特性阻抗的影响高速高频信号传输——对CCL的要求介质层厚度（H）对特性阻抗值的影响主要表现在厚度大小、组成和厚度均匀性方面：介质层厚度（H）的增加，特性阻抗值呈“5.98倍自然对数”增加着，这是影响特性阻抗值的主要因素。介质层厚度（H）结构、组成和厚度的均匀性和波动变化程度影响着特性阻抗值。如在相同厚度的介质层下，分别由106、1080、2116或7628等与树脂组成的介质层，其特性阻抗值是不相同的。因此可以理解PCB各个介质层中各处的特性阻抗值是不一样的。所以，在高频化和高速数字化的信号传输的PCB产品，应该选择薄型玻纤布或开纤扁平MS）布为宜，可以减小特性阻抗值的波动。高速高频信号传输——对导线粗糙度的要求CCL中铜箔表面粗糙度的影响为了提高CCL中不同材料介面之间的结合力、耐热性和减少滑动而引起的内应力集中，大多采用在CCL中树脂（或介质层）与铜箔接合的介面进行粗糙化处理，可增加与树脂接触“比表面积”来达到目的。与树脂接触的铜箔表面处理后的粗糙度如下表1示。高速高频信号传输——对导线粗糙度的要求CCL中铜箔表面粗糙度的影响随着信号传输高频化和高速数字化的发展，趋肤效应已经越来越大地影响着信号传输的质量和可靠性，其信号传输厚度（d）的关系式如公式2.趋肤效应是指信号的频率传输越快，信号传输就越来越接近导体的表面。高频化的趋肤效应。越来越严重，传输信号损失越来越大。随着信号传输频率的提高，其在导体内传输厚度严重性如下表所示。高速高频信号传输——对导线粗糙度的要求CCL中铜箔表面粗糙度的影响当信号传输频率在500MHZ时，其信号在导线表面的传输厚度为3um，CCL铜箔底部粗糙度为3mm~5mm时，信号传输仅在粗糙度的厚度范围内进行；当信号传输频率提高到1GHZ时，其信号在导线表面的传输厚度为2.1mm左右，当然其信号传输更是在粗糙度的厚度范围内进行；当信号传输频率提高到10GHZ时，其信号在导线表面的传输厚度为0.7mm左右，当然其信号传输更是在粗糙度的厚度范围内进行；当传输信号仅在“粗糙度”的尺寸层内进行传输时，那么必然产生严重的信号“驻波”和“反射”等，使信号造成损失，甚至形成严重或完全失真。为了减小这种“失真”，需要更严格控制导线粗糙度。高速高频信号传输——对导线粗糙度的要求CCL中铜箔表面粗糙度的影响高速高频信号传输——对导线粗糙度的要求信号损失的几个组成因素传统FR4基材应用的局限性传统PCB基材多采用酚醛树脂和环氧树脂，目前应用最广泛的是玻璃纤维环氧树脂(FR-4)。此类PCB板可在低频电子产品中很好使用，但在高频电路中，传统PCB板基材树脂的主要性能逐渐暴露出一些缺点：基材树脂DkDfCTE/(ppm/℃)吸水率/%Tg/℃,DSCx,y-axialz-axial1MHz先进电子设备要求<3.5<0.01<15<60<2.0≥180酚醛5.50.04——2.5120环氧4.70.0216602.2130酚醛环氧4.40.05——2.3130多官能团环氧4.20.01514501.5180传统FR4基材应用的局限性传统FR-4基材的Dk/Df较大且随频率变化明显，信号传输损耗大，不适合高频高速应用。传统FR4基材应用的局限性

采取不同固化体系的三种基材(Dicy固化、PN固化及非Dicy非PN固化)、时域分析测试线宽4mil、线长15inch、传送速率3.125Gbps的带状线的瞪眼图如下：非DICY非PN固化基材的眼状高度(噪音容量)最大；PN固化体系基材的抖动(信号带阔度)最大。Df对信号完整性传输影响很大，目前客户对Df尤为重视。传统FR4基材应用的局限性

PN固化、Filler的添加是对信号损失影响很大。传统FR4基材应用的局限性CCL厂商对高频材料进行了长期的改善。但出于CCL的结构组成，不外乎下述几种思路：采取极性更低、Dk/Df更小的树脂体系；如进行环氧树脂的改性(聚苯醚改性环氧树脂、氰酸酯改性环氧树脂)或换用其它树脂(聚四氟乙烯、聚苯醚和改性聚苯醚、氰酸酯树脂)。采用Dk更低而且均匀性一致的玻璃布材料；如扁平式玻璃布等。为了减少肌肤效应，采用低粗糙度的反转铜箔等。传统FR4基材应用的局限性高频基材的种类和特点通常的改性方法有：增加支链数，增大材料的自由体积，降低极性基团的浓度；环氧树脂中加入双键结构，使树脂分子不易旋转；或引入占有空间体积较大的基团或高分子非极性树脂等方法，降低极性基团的含量，提高其介电性能。树脂改性：聚苯醚改性环氧树脂使用改性聚苯醚对环氧树脂进行改性，聚苯醚（PPO）分子结构中含有重复的苯环与醚键，且具有对称结构，在大分子中没有强极性基团，电气绝缘性能优良，εr只有2.45PPO掺混改性环氧体系，提高改性环氧覆铜板的介电性能，达到降低εr和tanδ的目的。高频基材的种类和特点树脂改性：2.氰酸酯改性环氧树脂环氧树脂在固化反应过程中，可在交联点间生成含有OH等极性基团，它们对介质的εr和tanδ均有强烈影响。降低交联点间极性基团的浓度，可以降低tanδ。在不减少环氧树脂体系交联密度的前提下，降低体系中OH的含量。在树脂体系中加入氰酸酯，可降低树脂固化体系中OH的浓度，提高了体系固化物的玻璃化转变温度，这也是PCB基板所需要的。高频基材的种类和特点树脂改性：3.聚四氟乙烯树脂聚四氟乙烯（PTFE）是一种超高分子量的聚合物，其分子结构为四个完全对称的取向氟原子中心连接一个碳原子，Dk只有2.0（1MHz），加上C-F键的键能很高，其耐热性好。具有优良的电气性能、耐化学腐蚀、耐热、吸水性低。高频率范围内Dk、Df变化小，非常适用于作为高速数字化和高频的基板材料。在PTFE和玻璃纤维布组成的复合材料中，其Dk随PTFE树脂重量百分数的增加而减少；Df随树脂含量增加显著减少。高频基材的种类和特点玻璃纤维改性：玻纤增强材料是复合材料中力学强度的主要承担者，一般来说其介电常数高于树脂基体，又在复合材料中占有较高的体积含量，因此是决定复合材料介电性能的主要因素。目前，世界各国生产玻璃纤维织物组成大体相同，其基础成分都是SiO2、Al2O3、CaO三元系统。常温下构成玻璃网络的硅氧或硼氧、铝氧骨架无弱联系离子几乎不导电。但是网络中充填了碱金属离子时，点阵结构在碱金属离子处中断，产生热离子极化。这是影响玻璃介电性能的主要因素。目前通常采用的是无碱玻纤E玻纤，其介电常数为7.2（1MHz），不能满足高频电路的要求。采用的办法是混杂，除了E玻纤外，还有介电性能优秀的D玻纤（Dk＝4.7，1MHz）和Q玻纤（Dk＝3.9，1MHz），但是它们加工性能和成本较高，单独使用并不合适。通过对不同品种的玻纤进行合理的选配，要求既保证优良的低介电性能、加工性能，又能很好地解决工业化生产的成本问题。高频基材的种类和特点调整PCB介质布层：除了对基板本身材料的改性外，还可以通过改进基板整体结构，调整多层介质的分布，改善其介电性能。合理调整多层介质的分布，可以在减小成本的前提下提高基板的介电性能。常用的四层混合介质布层方法。其中，外层是LowDk和LowDf的高频介质。这种结构可以很好的控制阻抗，信号损失约为FR4的10%，信号传播速度比FR-快10%，可以使总成本降低25%。四层混合介质带状线布层，多用于数字电路。这种结构除了上图结构的优点外，还具有串音和电磁干扰更低的优点。另外还可以在PCB的制造过程中控制阻抗，所以可以精确控制传输线的宽度，控制阻抗。但这种结构通常只适用于具有更好的抗噪声能力的数字电路，可以承受一定的阻抗不连续。简单列举部分高频材料如下：高频基材的种类和特点高频基材的种类和特点各种PCB常用材料的介电特性：PTFE＞CE基板（热固性氰酸脂树脂）＞PPO基板（热固性聚苯醚树脂）＞BT＞PI＞改性EP＞EP；各种PCB常用材料的信号传输速度：PTFE＞CE＞PPO＞改性EP＞BT＞PI＞EP；PTFE具有优良的电性能和良好的化学稳定性，是最适用于微波通信和高速数字处理的高频材料之一。高频材料的性能比较：高频基材的种类和特点PCB设计的高频材料选择：建议在PCB设计中，设计者选取板材考虑如下关键因素：(1)工作在1GHz以下的PCB可以选用FR4，成本低、多层压制板工艺成熟。(2)工作在622Mb/s以上的光纤通信产品和1G以上3GHz以下的，可以选用改性环氧树脂材料，由于其介电常数比较稳定、成本较低、多层压制板工艺与FR4相同。以便于制作多层板且板材成本略高于FR4（高4分/cm2左右）。(3)3GHz以下的大信号微波电路如功率放大器和低噪声放大器建议选用类似RO4350板材，RO4350介电常数相当稳定、损耗因子较低、耐热特性好、加工工艺与FR4相当。其板材成本略高于FR4（高6分/cm2左右）。(4)10GHz以上的微波电路如功率放大器、低噪声放大器、上下变频器等对板材要求更高，建议选用性能类似PTFE（美国/欧洲等多用）的板材，或FR4和高频板组合粘接组成低成本、高性能层压板。信号完整性改善高频基材的种类和特点PCB设计的高频材料选择：无卤FR-4（G1）标准FR-4高TgFR-4（G1）IsolaFR408IS415松下MegtronIsolaGetek&GetekHRBT环氧无卤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高频基材的种类和特点PCB设计的高频材料选择：常