1、2016/2/23 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。Typical frequencies for wireless applications: Current mobile: 0.9GHz - 2GHz 3G systems: 2.
2、5GHz Bluetooth: 2.5GHz GPS: 12.6GHz LMDS: 24GHz and 40GHz 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;
3、 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
4、 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
5、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C C L 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
6、是取决 于各处的介电常数值的波动程度。 要在P C B 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（Z r ），如下式所示： 式中的j 为（-1） 1/2 ，角频率w=2f 如果特性阻抗值（Z 0）发生变化，则传输信号便发生改变，这种信号改 变
7、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（Z 0 ）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P C B 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
8、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 (tan、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（r）、介质损失因数（tan）所支配的。对传
9、输损失的影响与r 、tan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； r基板的介电常数； tan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C C
10、L 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P C B 板中的总损耗（a）是导电损耗（ac）和介质损耗（a d ）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（Z 0 ）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
11、）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： 1. 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。 2.
12、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M S ）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C C L 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C C L 中树脂（或介质层）与铜箔接合的介面 进行粗
13、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 1. 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500 MHZ时，其信号在导
14、线表面的传输厚度为3um ， CCL 铜箔底部粗糙度为3mm5mm 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
15、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 Dk Df CTE/(ppm/ ) 吸水率/% Tg/ ,DSC x,y-axial z-axial 1MHz 先进电子设备要求 0.020 Tier 6 Tier 5 Tier 4 Tier 3 Tier 2 Tier1 高频基材的种类和特点 PCB设计的高频材料选择：常用高频高速材料特
16、性表 型号 Megtron 4 Megtron 6 FR408 FR408HR N4000- 13/13EP N4000- 13SI/13EPSI RO4350 B RO4003 C RO3003 RF35- A2 供应商 松下 松下 isola isola Neclo Neclo Rogers Rogers Rogers Taconic 设计理念 改性PPO 树脂 改性PPO 树脂 Anhydrate 树脂 Anhydrate 树脂 CE 树脂 CE 树脂/ NE-Glass 碳氢化合 物/ 陶瓷 碳氢化合 物/ 陶瓷 PTFE/ 陶瓷 PTFE/ 陶瓷 Dk/1G 3.8 3.7 3.77
17、 3.68 3.7 3.5 / / / / Df/1G 0.005 0.002 0.0116 0.0092 0.008 0.008 / / / / Dk/5G 3.75 3.5 3.75 3.64 / / / / / / Df/5G 0.007 0.003 0.0122 0.0098 / / / / / / Dk/10G 3.7 3.5 3.75 3.65 3.6 3.4 3.48 3.38 3.0 3.5 Df/10G 0.005 0.004 0.0120 0.0095 0.008 0.007 0.004 0.0027 0.0013 0.0015 Tg(DSC) 175 185 180 20
18、0 210 210 280 280 / / Td 362 410 360 370 350 350 390 425 / / CTE (50-260 ) 2.80% 3.0% 3.50% 2.80% 3.40% 3.40% 50PPM 40PPM 13PPM 104PPM 吸水率 0.14% 0.14% 0.4% 0.3% 0.3% 0.3% 0.06% 0.06% 0.1% 0.02% 剥离强度 Lbs/in 6.8 6.8 7 7 9 9 5.2 6 17.6 12 备注 吸水率高 吸水率高 吸水率高 吸水率高 剥离强度 低 无UL 和 阻燃剂 对于介电性能： 需重点考究特性阻抗的高精度控制 、不同测量方法间的Df值偏差： 不同测量方法对Dk影响很小，但Df的测量系统误差很大。 对于机械加工： 需研究层压加工性能、钻孔加工特性、除胶特定要求等。 高频基材评估验证的方向
