高频高速材料介绍

高頻高速材料介紹方建中2011/05/23先豐通訊股份有限公司BoardTek2020/1/211因應無鹵化產品要求因應高頻高速要求因應無鉛製程要求BoardTek2020/1/212高頻高速BoardTek2020/1/213高頻高速材料的要求低介質常數(LowDk)降低介質常數可提昇訊號傳輸速度Propagationdelay=84.6x(εeff)1/2低散逸因子(LowDf)訊號隨著頻率增加，強度的損失也會隨之增加，因此高頻高速通訊多採用低散逸因子材料來設計製作Signalloss=27.3x(f/c)x(εeff)1/2xtanδ導體表面粗糙度訊號頻率愈高，肌膚效應(Skineffect)愈明顯，因此訊號傳輸導體表面愈平坦愈好εeff:介質常數(effectivedielectricconstant)tanδ:散逸因子(dissipationfactor)f:頻率(frequency)c:光速(lightspeed)BoardTek2020/1/214介質常數:DkorEr(ε)每”單位體積”的絕緣物質，在每一單位之”電位梯度”下所能儲蓄”靜電能量”（ElectrostaticEnergy）的多寡。此詞尚另有同義字”透電率”（Permitivity日文稱為誘電率）絕緣材料的”介質常數”（或透電率）要愈小愈好目前各板材中以鐵氟龍（PTFE），在1MHZ頻率下介質常數的2.5最好，FR-4約為4.7電路板可視為一電容裝置，導線中有訊號傳輸時，會有部份能量被電路板蓄積，造成傳輸上的延遲，頻率愈高延遲愈明顯BoardTek2020/1/215介質常數物理公式:DkorEr(ε)C=AxεxD/tC:電容(pF)A:平板面積(in2)ε:介質常數(dielectricconstantofthedielectricmaterial)D:225(常數)t:介電層厚度(mils)BoardTek2020/1/216銅箔樹脂玻璃纖維布銅箔基板結構影響銅箔基板綜合Dk之因素樹脂(環氧樹脂Dk:3~4)玻璃纖維布(Dk:6~7)樹脂重量比率(Prepreg:含膠量RC%)BoardTek2020/1/217Dk均勻性1玻璃纖維布節點節點處–玻璃纖維重量比高–Dk高纖維間–樹脂重量比高–Dk低玻璃纖維紗支直徑愈大，節點效應愈大降低玻璃纖維布節點效應使用紗支直徑較小的玻璃纖維布(2116,1080,106)使用扁平的開纖布，降低節點處與纖維間的差異線路設計轉向BoardTek2020/1/218Dk均勻性2膠片(Prepreg)壓合厚度殘銅率–影響樹脂與玻璃纖維布的重量比殘銅率高–樹脂重量比高–Dk低降低膠片(Prepreg)壓合厚度影響疊構設計–內層基板厚度小於Prepreg厚度線路設計–降低同一層內局部殘銅率的差異(L2,Ln-1GND–有利外層)，有效運用Dummypad基板為外側介電層–微波通訊使用BoardTek2020/1/219散逸因子:Df對交流電在功能上損失的一種度量絕緣材料(樹脂)的一種特性與所見到的電功損失成正比與週期頻率（f），電位梯度的平方（E2），及單位體積成反比其數學關係為（E2）*（f）*（Volume×Constant）PowerlossDissipationFactor=BoardTek2020/1/2110先豐合格低Dk、低Df材料材料FR408FR408HRIS415IT180IIT170GRTU862HFEM285廠商ISOLAISOLAISOLA聯茂聯茂台耀台光Tg(℃)/DSC180185190175180165150Dk(10GHz)3.773.763.824.004.104.404.20Df(10GHz)0.01190.00890.01310.0150.0130.0150.015FR4材料RO4350BRO3003TLY5ARF-30RF-35A25NAD350A廠商RogersRogersTaconicTaconicTaconicArlonArlon樹脂種類陶瓷PTFEPTFEPTFEPTFEPTFEPTFEDk(10GHz)3.483.002.173.003.503.383.50Df(10GHz)0.00370.00130.00090.00140.00250.00250.0030特殊材料Fillers無鹵無鹵BoardTek2020/1/2111Dk&Df量測Dk基板廠–平行板電容方式PCB–測試Pattern，利用TDR量測Df基板廠–平行板電容方式PCB–測試Pattern，利用TDR或VNA量測IBM–SPP法(ShortPulsePropagation)Cisco–S3參數量測法Intel–SET2DILInsertionLoss法–較簡單BoardTek2020/1/2112SET2DIL法TDR訊號進TDR訊號出背景扣除組Df量測組BoardTek2020/1/2113導體表面粗糙度導體表面粗糙度導體表面粗糙度形貌對電阻發熱，造成訊號能量的損失，即為導體損耗頻率愈高，波長愈短，訊號在導體間行進，將只集中在導體的表面，即所謂”肌膚效應”(Skineffect)導體表面粗糙度愈平坦對訊號傳輸愈有利PCB層間的接著強度，受導體表面粗糙度影響導體表面粗糙度愈高，樹脂與導體接著面積愈大，接著強度也隨之愈高改善方向反轉銅箔的開發即因應此需求而產生近年來反轉銅箔的技術日趨成熟BoardTek2020/1/2114無鉛製程BoardTek2020/1/2115無鉛銲料分類銲料成份熔點性能與用途存在問題高熔點銲料(205℃以上)SnCu227℃便宜,用於波銲或噴錫熔點太高,對板材及綠漆不利SnAg221℃銲錫性良好,機械性能及可靠度不錯,用於Reflow銀之溶出物具毒性SnAgCu217℃抗拉強度良好,兼用波銲與Reflow,廣泛使用銀之溶出物具毒性SnAgCuBi217℃可靠度良好,用於波銲銀之溶出物具毒性,會有通孔Filterlifting現象中熔點銲料(180℃以上)SnAgCuBi200~216℃兼用波銲與Reflow銀之溶出物具毒性,會有通孔Filterlifting現象SnZn199℃熔點較低,兼用波銲與Reflow鋅易氧化,銲點易腐蝕,銲錫性較差,需要強烈助銲劑低熔點銲料(180℃以下)SnBi138℃用於低溫銲接,銲點耐疲勞性良好,兼用波銲與Reflow會有通孔Filterlifting現象成熟且被廣泛使用的無鉛銲料熔點為217℃~227℃BoardTek2020/1/2116無鉛組裝的影響–熱衝擊加大Dicy板材耐熱性不足爆板率由100ppm拉高至10,000ppm以上降低孔銅的可靠度溫度提高，Z軸的膨漲程度加大，孔銅承受的應力加大，孔銅斷裂的風險提高成品板厚愈厚者，風險愈高BoardTek2020/1/2117因應無鉛製程材料耐熱性的提昇硬化劑的改變(Dicy→PN)Tg的提高(135℃→150℃→175℃)Td的要求(330℃~340℃)T260、T288基材分層時間的要求降低Z軸總膨漲量Tg的提高(135℃→150℃→175℃)添加Fillers(降低Z軸CTE)Z軸CTE分兩個區段–α1:固態(溫度在Tg以下，40~60ppm/℃)–α2:膠態(溫度在Tg以上，250~350ppm/℃)Tg(GlasstransitionTemp):由固態轉變為膠態的溫度Td(DecompositionTemp):重量減少5%的溫度CTE(CoefficientofThermalExpansion):長度隨溫度增加而增加的比例BoardTek2020/1/21180%1%2%3%4%5%20406080100120140160180200220240260溫度總膨脹率IT140IT588IT180IT180AIT180I材料IT140IT588IT180IT180AIT180ITg140℃137℃180℃180℃180℃α155ppm50ppm50ppm45ppm40ppmα2290ppm260ppm250ppm250ppm210ppmTg&Z軸CTE對總膨漲量的影響BoardTek2020/1/2119DicyVSPNComparison1BoardTek2020/1/2120DicyVSPNComparison2BoardTek2020/1/2121因應PN材料–PCB製程變動鑽孔製程鑽孔條件變動除膠渣程式調整(Desmear)壓合使用高接著力銅箔電鍍鍍銅厚度提高鍍銅層延展性提高(Elongation)BoardTek2020/1/2122無鹵化BoardTek2020/1/2123鹵素鹵素來源:耐燃劑傳統耐燃劑為TBBPA(四溴丙二酚A)達到94V-0等級，基材內溴含量需達18%~20%一般基材溴的含量為60,000~70,000ppm替代的無鹵耐燃劑DOPO系列之磷化合物氮系化合物(代表物質:BZ樹脂)達到94V-0等級，需添加15%~20%分子結構內含有大量苯環分子結構，因此耐熱性佳，Td、T260、T288的表現也優異，適用一般無鉛組裝BoardTek2020/1/2124無鹵板材耐燃性無鹵耐燃劑雖可達94V-0等級，但表現仍不如TPPBA添加Fillers以補強Fillers一般以SiO2、Mg(OH)3、Al(OH)3為主特性Td高Z軸CTE低樹脂Df低耐熱性佳CAF佳Dk較高低Dk需求時調整FillersBoardTek2020/1/2125BoardtekFR4材料分類1類別硬化劑建議用途4101BTg(℃)MinTd(℃)MinZ軸CTE(ppm/℃)T288(分)合格物料製程板厚(mm)層數α1(max)α2(max)型號廠商ADicy有鉛≦2.0≦10/97110(4101B未定)--------NP-140南亞NP-150南亞FR-402ISOLATHE-420宏泰B-1PN無鉛≦2.0≦10/124150325603005----B-2(添加5%以上Fillers)/99150325603005NP-155F南亞IS-400ISOLAIT-158聯茂TU-662台耀BoardTek2020/1/2126BoardtekFR4材料分類2類別硬化劑建議用途4101BTg(℃)MinTd(℃)MinZ軸CTE(ppm/℃)T288(分)合格物料製程板厚(mm)層數α1(max)α2(max)型號廠商CDicy有鉛≦3.0≦16/26170--------NP-170南亞FR-406ISOLAD-1PN有鉛≦10.0≦32/1291703406030015NP-175南亞FR-370TISOLA無鉛≦3.0≦16IS415ISOLAIT180聯茂D-2(添加5%以上Fillers)PN有鉛/無鉛≦10.0≦32/1261703406030015FR-370HRISOLAIT-180A聯茂IT-180I聯茂TU-768台耀BoardTek2020/1/2127Boardtek無鹵FR4材料分類類別硬化劑建議用途4101CTg(℃)MinTd(℃)MinZ軸CTE(ppm/℃)T288(分)合格物料製程板厚(mm)層數α1(max)α2(max)型號廠商GDicy------/122125310603005----G(Fillers)有鉛/無鉛≦2.0≦10/127125310603005R-1566NPLEM-285台光HDicy------/125150325603005----H(Fillers)有鉛/無鉛≦10.0≦32/128150325603005IT-170GR聯茂TU-862HF台耀