高速、高频PCB用基板材料的技术发展与评价

当前,生产、开发PCB用基板材料的高速化、高频化,已成为了全世界PCB厂家以及PCB基板材料基板生产厂的重要课题。更深入的研究基板材料高速化、高频化的理论、特性，了解国外的开发进展以及在PCB制造中达到最佳对这类基板材料的选择和应用，是当前需要开展的一项十分重要和必要的技术工作。1.基板材料在高速、高频PCB制造中的重要作用1．2高速化、高频化PCB发展的背景21世纪进入了高度信息化的社会。IT产业成为了21世纪中的具有典型代表性产业。发展IT产业的重要技术基础，是高速、高频、大容量的信号传输。电子产品与通信产品在高速、高频化方面，近几年表现在以下四个方面的迅速发展：①在近年在计算机与通信产品的高性能化、高功能化的发展中，网络化的电子产品的技术快速推进，采用高速度的信息传送技术有了更加迅速的进展。电子产品和由网络技术构成的通信设备的不断出现，以及众多的大容量的信息的高速处理、传输技术的确立，使得信号高频化呈现出逐年的快速发展之趋势。有关统计资料表明，电子元器件和电子产品在信号传输速度上，预测将在今后五年内增加十倍以上。②几年前，1GHz以上的高频信号，只是限于在航空航天与卫星通信等领域使用，而今移动电话及无线局域网（LAN）等，身边的电子产品也得到了应用。未来不久，利用GHz频带达到无线通信系统也将实现实用化。当前信息、通信技术的进步，使电子信息产品迈入了千兆赫兹（GHz）的时代。在高频化发展中表现最突出的是数字视讯产品。数码视讯产品主要包括：数字视讯多媒体系统产品；数字电视（DTV）、数字音讯广播产品；数字影音产品（如DVD、数字摄像机等）；数字移动通讯产品（3G移动电话、PDA等）。它们的共同特点就是：实现了同步传送语音、影视信号与数据的整合传输系统。数字视讯产品技术与移动通信技术的紧密结合，已成为全球化战略布局的趋势。这类产品技术的发展，正迅速的向着高频化发展。即视讯电子产品的高频化，则是实现其“顺风耳、千里眼”的唯一途径。③已开始广泛普及的网络化，推进了信息的大容量化的进展。在服务器、路由器等的网络关联产品上、在传输装置上、以及在为提供高速的网络环境的输出接口上，采用宽带的高速连接技术已成为IT开发工作中的当务之急。最短距离的高速信号传输，也已成为IT业一个不可缺少的重要发展条件。在这种情况下，高频信号以模拟、数字的形式，已在多种多样的信息通信关联的产品上，得以更加广泛的应用。④半导体部件向着高集成度、高速、高频化方向发展。作为搭载、连接IC等部件的支撑体的印制电路板（IC载板）来讲，也需要它在这些性能上得到发展。1.2发展高速化、高频化PCB已成为PCB业当前的重要工作在世界上，高速高频化PCB真正形成规模化的市场源于1999年。美国电子电路互连与封装协会（IPC）的会长ThomasJ.Dummrich对世界这一发展趋势,曾作过这样的评价：“1999年是全球PCB产业发展史上最具有戏剧性的一年，无论在全球市场结构上或在技术的演变上，都面临着重要的转变。”该会长提及的全世界PCB的“市场结构上或技术上”的重要转变，其一个重要的表现方面，就是高速化及高频化PCB市场的迅速兴起和发展。我们注意到：目前日本业在发展“差别化战略”中，把发展高速化、高频化PCB的制造技术，摆在相当重要的地位。台湾也是这样：不少台湾的大型PCB生产厂家，近几年来，重点发展这类PCB的制造技术。例如，南亚电路板公司在高速化、高频化PCB的品种发展上作了很多的开发、研究工作。所使用的低介电常数基板材料的数量，在近几年已攀升到世界的前几名的大厂（在2000年间，低ε的基板材料使用量，成为居世界第二位的厂家）。对于高速化、高频化PCB的发展前景，南亚高层管理者报有十分乐观的态度。他们预测这种高速化、高频化PCB产品的市场需求高峰出现的契机，可能会在2003年下半年。在发展高速化、高频化PCB产业中,从它的产品设计，到选择基板材料、产品制作、产品检验都处处包含着新技术、新水平。它的应用领域也提升到一个新的高档次产品方面。因此，可以认为高速化、高频化PCB产业，是带有高附加值的、具有“知识经济”产业。发展高速化、高频化PCB产品，将给PCB业带来新的商机、新的广阔的应用市场。例如，电子元器件和电子产品，在信号传输速度上更加发展其高速化，就可更快地推动计算机网络化技术的进步。一些电子产品就更快推出新一代的产品。台湾一位PCB专家，在此方面发展上，曾作了这样两个形象的预测：“如果等到有一天，出现用各人电脑下载一部DVD的影片只用30秒，根本不用跑到商店去花钱购买、或租赁就可以在家里迅速看到，这时候真正的对这种新一代电脑的大量需求就会到来”。再例如，通过电脑、移动电话等带有影视的通讯工具，就可以实现进行商务的谈判及交往、就可以实现更直观地与相隔很远的朋友、亲友象似“面对面”的进行聊天。那幺这类视讯产品的发展前景是非常广阔的。因此，作为这类高速化、高频化PCB产品所需要印制电路板，也随之会出现很大的市场。1.3高速高频化PCB用基板材料更加突出到重要地位在发展高速化高频化PCB产业中,所用的基板材料更加突出到重要地位。它主要表现在以下两方面：①选择适宜的基板材料是实现PCB的高速高频化重要方面。要赋于PCB高速、高频化的特性，主要是通过两方面的技术途径：一方面，是使这种PCB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，可以能进一步缩短信号传输的距离，以减少它在传输中的损失。另一方面，要采用具有高速、高频特性的PCB用基板材料。而后者的实现，是要求PCB业开展对这类基板材料的深入了解、研究工作；找出、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PCB的制造工艺、性能及成本要求能够实现合理匹配的目的。②基板材料起着保证PCB性能与可靠性，提高竞争性的重要作用。由于基板材料在发展高速高频化PCB技术与产品中具有突出的重要地位。所以，许多PCB厂家在开发这类PCB产品中，把其研究、实验的重点放在对所选基板材料上。以台湾的大量生产高速化、高频化PCB的工厂——南亚电路板公司为例，近几年来，他们把技术工作重点，投入到对基板材料生产厂家送来的基材的研究、选择、实验、调整自有工艺之上。在此方面他们付了很大的财力、物力，也取得了很大的成效。日本不少PCB厂家在开拓世界高速高频化PCB市场的工作中，以加快应用高水平的此基板材料为“有利武器”尝到了相当大的“甜头”。2．高速高频化PCB主要特性与基板材料介电特性的关系2．1高速高频化PCB特性与基板材料ε、tanδ关系高速高频化的PCB特性，主要表现在三个方面：①具有传输损失（α）小，传输延迟时间（Tpd）短，信号传输的失真小的特性。②具有优秀的介电特性（主要指：相对介电常数性εr；介质损失角正切性tanδ）。并且，这种介电特性（εr、tanδ）在频率、湿度、温度的环境变化下仍能保持它的稳定稳定；③具有特性阻抗（Zo）的高精度控制。上述高速高频化的PCB特性，是由PCB的基板材料特性所保证的。要达到上述的特性，就需要基板材料具有低相对介电常数性（εr，以下简称为“介电常数”，简化用ε表示）、低介质损失角正切性（tanδ）。高速高频化PCB的低传输损失、少传输延迟、高特性阻抗的精度控制的特性与基板材料电常数性、介质损失角正切的关系如图1所示。图1.高速高频化PCB特性与基板材料ε、tanδ关系图1是以带状线的传输方式为例，来说明了PCB的各个信号传输的相关特性与PCB基材特性的相互关系。在实现高速传输的过程中（特别是网络传输的过程中），随着信号的衰减，它的信号延迟也在增加。因此，高速化、高频化PCB实现低传输损失化将是十分重要的。导体电路上的传输损失大体包括导体损失（αc）介质（绝缘体）损失（αd）、辐射损失三个方面。前两者都与频率的大小相关，它们之间成正比的关系。其中，介质损失（αd）是主要受到基板材料绝缘层的介电常数（ε）、介质损失角正切（tanδ）这两个介电特性所支配。而ε又对传输延迟、特性阻抗精度控制有着重要的影响。上述的ε、tanδ两个介电特性，和基板材料绝缘层的厚度、导电层的电路图形形状等，一起构成了对特性阻抗值高精度控制的三个重要因素。实现传输、处理高频信号的PCB，除了需求它所用基材的低介电常数化、低介质损失角正切外，还需要这两项介电特性在频率、湿度、温度的环境变化下，都表现出飘浮性要小，稳定性高的特性。。对高速、高频化PCB所用的基材的性能要求，除了要具有上述的介电特性外，还应兼备其它主要特性。如优异的耐热性、加工性、成型性、可适应于可制造30层等特性。2．2基板材料的介电常数介电常数（dielectricconstant，简称ε或Dk）是指在规定形状的电之间填充分电介质而获得的电容量（C）与相同电极之间为真空时的电容量（C0）的之比（C/C0），称为介电常数。由定义可见，介电常数表示电介质电容器电容与真空电容的比率。它的宏观上表现出这种材料存储电能能力的大小。介电常数的同义词是“电容率”，日文为“诱电率”。由字面上可以体会到与之间的关系含义。当基板材料的介电常数（即电容率）较大时，即表示信号线中的传输能量已有不少被“蓄容”在基板材料中，如此就造成信号完整性变差，传送速率减慢。关于ε对信号传输速度的影响问题，台湾电路板协会（TPCA）技术专家白蓉生先生也打了两个生动、形象的的比喻：“正如同高速公路上若有大量污泥存在时，其车驱动的部分能量会被吸收，车速也会随之减慢。”又如：“在弹簧式路面上跑步时，其速度自然不如正常面跑得快，原因当然还是部分能量被浪费在弹跳掉了”（引自：技术专家白蓉生：专家对《电路技术术语手册（2000版）》。在电信号在PCB上传输中，部分像上述两例吸收、消耗能量那样会被损失一部分。基板材料的不同树脂组成、不的增强材料会的会带来不同程度的传输损失。图1所示了各种不同的树脂构成的基板材料的介电常数与PCB的传输损失的对比。2．3基板材料的介质损失角正切介质损失角正切（DissipationFactor，简称tanδ或Df）顾名思义即是当信号或能量在电介质里传输与转换过程中所消耗的程度。理想的绝缘电介质内部并没有自由电荷，而实际的电几介质内部，总是存在有少量的自由电荷，因此是造成电介质漏电及产生损失的原因。白蓉生专家对介质损失角正切作了更加易懂的解释：“它在信息与通信业界中最简单、最通俗的定义就是：信号线中已漏失到绝缘基材中的能量，与尚存在线中能量的比值。”2．4与PCB线路中信号传输损失相关的因素在PCB线路中的信号传输损失，与使用的频率、基板材料的介电常数、介质损失角正切成正比的关系。当所使用的频率越高时，信号传输损失就越大。因此，要实现高速、低能量损耗与小的传输时间延时的程度要求，则需要基板材料为低ε、低tanδ。在基板材料用于高电场强度或高频率的条件下，应尽量采用在这种条件下仍具有低介质损失角正切和较低介电常数特性的材料为原则。图2、图3所示了这一关系。图2各种ε、tanδ材料的信号损失情况（理论计算数据）图3各种ε、tanδ材料的信号损失情况（实际测定数据）从图3可看处，当频率越高时，不同树脂材料的ε或tanδ所对应的传输损失，存在的差别就越显著。实现传输、处理高频率信号的PCB，在信号传输损失方面，除了需求它所用的基板材料的低介电常数、低介质损耗角正切外，还与PCB的导线宽度、绝缘层的厚度、特性阻抗等相关。图4表示了导线宽度、绝缘层的厚度与传输损失的关系。图4导线宽度、绝缘层的厚度与传输损失、特性阻抗的关系3．高速化、高频化PCB基板材的特性及技术的发展PCB用基板材料高速、高频特性（即主要指低ε、低tanδ性），是由它所组成的树脂、增强材料（包括填充分材料）、铜箔、工艺条件等诸因素所构成的。其中最重要的因素是树脂。图5所示了这一关系。图5覆铜板所组成的诸材料因素对板的ε、tanδ影响3．1不同树脂所构成的高速、高频PCB用基板材料3．1不同树脂所构成的高速、高频PCB用基板材料基板材料所用的树脂的介电常数、介质损失角正切的高低，主要受