高頻PCB基材介電常數(shù)與介電損耗的特性與改性進(jìn)展

1、高頻PCB基材介電常數(shù)與介電損耗的特性與改性進(jìn)展楊盟輝(中南電子化學(xué)材料所,武漢 430070摘 要 隨著高頻化PCB技術(shù)與產(chǎn)品占有越來越重要的地位,高頻電路基板材料的發(fā)展也出現(xiàn)了高速化,其中比較重要的一方面就是低介電常數(shù)和低介質(zhì)損耗因數(shù)的材料的選擇,這是PCB基板材料實(shí)現(xiàn)高速化,高頻化的重要性能項(xiàng)目。文章針對基板材料的介電常數(shù)與介電損耗的關(guān)系加以論述,并對它們與外部環(huán)境的關(guān)系做出相應(yīng)的闡述,使得在PCB的制造中對各種基板材料進(jìn)行合理正確的評估和使用。關(guān)鍵詞 高頻PCB, 樹脂材料的改性,介電常數(shù),介電損耗The Dielectrics Characteristics and Modified

2、 Progress of Base Materials Applied in HighFrequency Printed Circuit BoardYang MenghuiAbstract With the application of high frequency printed circuit board in more fields,the base materials need to adapt the requirements of high-speed circuits.The most important factors are the dielectric characteri

3、stics,such as low dielectric constant and dielectric loss,which is propitious to the high transmission speed of printed circuit board.The dielectric constant and dielectric loss of base materials are discussed in this paper and the affected relation with environment conditions are also described.In

4、addition,the modified progresses of difference base materials are evaluated.Keywords High Frequency Printed Circuit Board, base materials, dielectric constant, dielectric loss0 前言目前已經(jīng)商品化的高頻基板主要有三大類1 2:聚四氟乙烯(PTFE基板;熱固性PPO (Polyphenyl Oxide;交鏈聚丁二烯基板和環(huán)氧樹脂復(fù)合基板(FR-4。PTFE基板具有介電損耗小,介電常數(shù)小且隨溫度和頻率的變化小,與金屬銅箔的熱

5、膨脹系數(shù)接近等優(yōu)點(diǎn)3 4,從而得到了廣泛的應(yīng)用。PTFE與玻璃纖維、陶瓷搭配制備的基板,例如:RO3200,RO3210,RO4003等系列已經(jīng)能夠滿足介電常數(shù)2.210.8,工作頻段為30 MHz30 GHz的要求5。雖然,PTFE微波板制造發(fā)展迅猛,但與之相適應(yīng)的工藝是由傳統(tǒng)的FR-4印制電路制造工藝改進(jìn)而成6?，F(xiàn)在電子信息產(chǎn)品特別是微波器件的高速發(fā)展,集成度極大的提高和數(shù)字化、高頻化、多功能化和在特殊環(huán)境中應(yīng)用等要求已經(jīng)向一般的PTFE 高頻板以及制造工藝提出了挑戰(zhàn)。對于微波PCB 的高速、高頻化的特性, 主要是通過兩方面的技術(shù)途徑:一方面是使這種發(fā)展成為高密度布線微細(xì)導(dǎo)線及間距、微小孔

6、徑、薄形以及導(dǎo)通、絕緣的高可靠性。這樣, 可以進(jìn)一步縮短信號傳輸?shù)木嚯x, 以減少它在傳輸中的損失。另一方面, 要采用具有高速、高頻特性的用基板材料。而后者的實(shí)現(xiàn), 是要求業(yè)開展對這類基板材料比較深入的了解、研究工作找出并掌握準(zhǔn)確控制的工藝方法, 以此來達(dá)到所選用的基板材料與的制造工藝、性能及成本要求能夠?qū)崿F(xiàn)合理匹配的目的。在高頻電路中,信號傳輸速度可以表示為7 :r c kV = (1式(1中: V 信號傳輸速率,單位為 m/s ;C 真空中的光速,單位為m/s ;r 基板的介電常數(shù)?？梢钥闯?基板介電常數(shù)越低,信號傳播得越快,因此要得到高的信號傳輸速率,就必須研究開發(fā)低介電常數(shù)的基板材料。介

7、電常數(shù)除了直接影響信號的傳輸速度以外,還在很大程度上決定特性阻抗,它可以表示為8 :8.098.5ln(41.1870tw h Z r += (2 式(2中: Z 0 印制導(dǎo)線的特性阻抗;r 基板的介電常數(shù);h 印制導(dǎo)線與基準(zhǔn)面之間的介質(zhì)厚度;w 印制導(dǎo)線的寬度;t 印制導(dǎo)線的厚度。可以看出,影響特性阻抗的主要因素是: (1基板的介電常數(shù)r ;(2介質(zhì)厚度h ;(3導(dǎo)線寬度w ;(4導(dǎo)線厚度t 等?；褰殡姵?shù)越小,特性阻抗就越大。在高速電路中需要高的特性阻抗值,必須研究開發(fā)低介電常數(shù)的材料。同時(shí)為了實(shí)現(xiàn)高速數(shù)字電路PCB 中的阻抗連續(xù)穩(wěn)定,要求基板材料有穩(wěn)定的介電常數(shù)9。1 PCB 上的信號

8、傳輸損失與基板材料性質(zhì)的關(guān)系導(dǎo)體電路上的傳輸損失中的介質(zhì)損失是主要受到基板材料絕緣層的介電常數(shù)(r 、介質(zhì)損失因數(shù)(tan 所支配的。對傳輸損失的影響與r 、tan 的大小成正比, 并與介質(zhì)工作時(shí)的頻率大小相關(guān)。在同一r 或tan 下, 頻率越高, 其傳輸損失就越大,圖1 表示了上述關(guān)系。 圖1 各種r ,tan 材料的信號傳輸損失隨著頻率增加, 基板中的損耗不能再忽略不計(jì),信號的傳播損耗或衰減可以表示成10 :r f a tan (3式(3中:A 信號傳播衰減,單位為dB/m;r 基板的介電常數(shù);tan 基板的介質(zhì)損耗因數(shù);f 頻率。可以看出,基板tan 越小,信號傳播的衰減越小。因此在高頻

9、電路基板材料的選擇或者研究開發(fā)時(shí),要求其具有較低的r 和tan 。另外還要綜合考慮其他因素:如熱能、機(jī)械性能、吸水性等。基板材料所用樹脂的r 值和tan 值的高低,主要受到樹脂結(jié)構(gòu)本身的極化程度大小。極化程度愈大,介電常數(shù)值就愈高。為此,消除或降低樹脂中的易極化的化學(xué)結(jié)構(gòu),來達(dá)到有效的降低基板材料r ,tan 值的目的,這已經(jīng)成為這類基板材料提高此項(xiàng)特性的重要途徑。由此也看出,一種高速高頻化基板材料的特性好壞,它所用的樹脂種類,更具體的講它所用樹脂的分子組成結(jié)構(gòu),是相當(dāng)關(guān)鍵、重要的。2 樹脂的改性對高頻PCB 基板的研究通常從下面幾個(gè)方面進(jìn)行:對樹脂和玻纖及整體結(jié)構(gòu)的改進(jìn),通過布線或其它方式改

10、進(jìn)基板特性。同時(shí)在這些研究中,高頻下介電常數(shù)的測量起著很重要的作用,有的學(xué)者還提出了復(fù)合材料中介電常數(shù)計(jì)算的理論模型。由于環(huán)氧樹脂本身具有含量較大的極性基團(tuán),介電性能較差,通常的改性方法有:增加支鏈數(shù),增大材料的自由體積,降低極性基團(tuán)的濃度;在環(huán)氧樹脂中加入雙鍵結(jié)構(gòu),使樹脂分子不易旋轉(zhuǎn);或引入占有空間體積較大的基團(tuán)或高分子非極性樹脂等方法,降低極性基團(tuán)的含量,提高其介電性能。2.1 聚苯醚改性環(huán)氧樹脂使用改性聚苯醚對環(huán)氧樹脂進(jìn)行改性7,聚苯醚(PPO分子結(jié)構(gòu)中含有重復(fù)的苯環(huán)與醚鍵,且具有對稱結(jié)構(gòu),在大分子中沒有強(qiáng)極性基團(tuán),電氣絕緣性能優(yōu)良。改性聚苯醚(MPPO在保持PPO 的電氣特性的同時(shí),改

11、善了PPO的加工性能。在保證環(huán)氧覆銅板基本阻燃性和力學(xué)性能的基礎(chǔ)上,利用r只有2.45的MPPO摻混改性環(huán)氧體系,形成半互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),提高改性環(huán)氧覆銅板的介電性能,達(dá)到降低r和tan的目的。MPPO含量對基板r、tan的影響如圖2所示。由圖2可知,隨著MPPO含量的增加,覆銅板的r和tan都減小,表明MPPO的添加對環(huán)氧樹脂的絕緣特性確實(shí)有所改善,但是由于工藝條件較為苛刻,穩(wěn)定性欠佳,該技術(shù)離工業(yè)化大生產(chǎn)還有一定距離,有待改進(jìn)與提高。另外通過PPO改性溴化環(huán)氧樹脂(BEP,使其耐熱性能得到了改善,介電常數(shù)降低到3.2,而其阻燃性能較佳,其它各項(xiàng)性能均有不同程度的提高10。 圖2 MPPO的含量

12、對r和tan的影響2.2 氰酸酯改性環(huán)氧樹脂環(huán)氧樹脂在固化反應(yīng)過程中,可在交聯(lián)點(diǎn)間生成含有OH等極性基團(tuán),它們對介質(zhì)的r和tan均有強(qiáng)烈影響。tan與OH含量的關(guān)系如圖3所示11。從圖2中可知,降低交聯(lián)點(diǎn)間極性基團(tuán)的濃度,可以降低tan。在不減少環(huán)氧樹脂體系交聯(lián)密度的前提下,降低體系中OH的含量,許多學(xué)者對此進(jìn)行了大量的研究工作。在樹脂體系中加入氰酸酯,可降低樹脂固化體系中OH的濃度,同時(shí)改善樹脂體系的交聯(lián)密度12,提高了體系固化物的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度,這也是PCB基板所需要的。 圖3 tan與OH濃度的關(guān)系2.3 聚四氟乙烯聚四氟乙烯(PTFE是一種超高分子量的聚合物,其分子結(jié)構(gòu)為四個(gè)完全對稱的

13、取向氟原子中心連接一個(gè)碳原子,因而極性極低,r只有2.0(1 MHz,加上C-F鍵的鍵能很高,其耐熱性好。具有優(yōu)良的電氣性能、耐化學(xué)腐蝕、耐熱、使用溫度范圍廣、吸水性低,高頻率范圍內(nèi)r、tan變化小,非常適用于作為高速數(shù)字化和高頻的基板材料。胡福田等13人的研究表明,在PTFE和玻璃纖維布組成的復(fù)合材料中,PTFE樹脂含量與介電常數(shù)、介質(zhì)損耗因數(shù)的影響分別如圖3、圖4所示。由圖3可知,其r隨PTFE樹脂重量百分?jǐn)?shù)的增加而減少,樹脂重量百分?jǐn)?shù)在72%時(shí)得到r為2.6的產(chǎn)品。由圖5可知,tan隨樹脂含量增加有一個(gè)顯著減少的過程。PTFE的熱膨脹系數(shù)相對高,質(zhì)地柔軟,其機(jī)械性能差,尺寸穩(wěn)定性較差,價(jià)

14、格昂貴,加工要求苛刻,不適合普及使用。 圖4 樹脂重量百分?jǐn)?shù)對介電常數(shù)的影響圖5 2.4 氰酸酯樹脂 樹脂重量百分?jǐn)?shù)對 tan的影響 氰酸酯樹脂具有優(yōu)異的電絕緣性能、耐高溫性能、高尺寸穩(wěn)定性和低吸水率，可用作高性能復(fù) 合材料的基體樹脂，是一種理想的高頻印刷電路板樹脂基體。王結(jié)良等人的研究表明，采用有機(jī)錫 催化劑固化得到的氰酸酯樹脂基固化樹脂及其復(fù)合材料具有低r 和低 tan，力學(xué)性能非常出色;同 時(shí)還發(fā)現(xiàn)復(fù)合材料表現(xiàn)出與固化樹脂相似的耐水煮和耐濕熱老化性能，是一種優(yōu)異的高頻印刷電路 板樹脂體系 14 。但是交聯(lián)密度大及高結(jié)晶度而引起的韌性較差。可利用雙馬來酰亞胺樹脂（BMI）和 CE 得到共聚

15、物 BT 樹脂，在其他性能保持不變的前提下改善其韌性。 3 玻纖的改性 玻纖增強(qiáng)材料是復(fù)合材料中力學(xué)強(qiáng)度的主要承擔(dān)者，一般來說其介電常數(shù)高于樹脂基體，又在 復(fù)合材料中占有較高的體積含量，因此是決定復(fù)合材料介電性能的主要因素 15 。目前，世界各國生 產(chǎn)的硅酸鹽成分的玻璃纖維織物組成大體相同，其基礎(chǔ)成分都是 SiO2、Al2O3、CaO 三元系統(tǒng)，重量 百分比在小范圍內(nèi)波動(dòng) 16 。常溫下構(gòu)成玻璃網(wǎng)絡(luò)的硅氧或硼氧、鋁氧骨架無弱聯(lián)系離子幾乎不導(dǎo) 電。但是網(wǎng)絡(luò)中充填了陽離子，特別是堿金屬離子時(shí)，點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)在堿金屬離子處中斷，形成弱聯(lián)系 離子，產(chǎn)生熱離子極化。這是影響玻璃介電性能的主要因素。目前通常采用

16、的是無堿玻纖 E 玻纖， 其介電常數(shù)為 7.2 (1 MHz，不能滿足高頻電路的要求。首先可以采用的辦法是混雜。在無堿玻纖 中，除了 E 玻纖外，還有介電性能優(yōu)秀的 D 玻纖（ r= 4.7，1M Hz）和 Q 玻纖（ r= 3.9，1M Hz），但是它們加工性能和成本較高，單獨(dú)使用并不合適。通過對不同品種的玻纖進(jìn)行合理的選 配，要求既保證優(yōu)良的低介電性能、加工性能，又能很好地解決工業(yè)化生產(chǎn)的成本問題。 4 基板材料的整體改進(jìn) 除了對基板本身材料的改性外，還可以通過改進(jìn)基板整體結(jié)構(gòu)，調(diào)整多層介質(zhì)的分布，改善 其介電性能。合理調(diào)整多層介質(zhì)的分布，可以在減小成本的前提下提高基板的介電性能。 6 6

17、 圖6 四層混合介質(zhì)微波傳輸布層 圖7 四層混合介質(zhì)帶狀線布層 如圖 6 所示，是一種常用的四層混合介質(zhì)布層方法。其中，外層（頂部和底部）是低介電常數(shù) 和低介質(zhì)損耗因數(shù)的高頻介質(zhì)。這種結(jié)構(gòu)可以很好的控制阻抗，信號損失也很小（約為 FR-4 的 1/10），信號傳播速度比 FR-4 快 10%。而且，大部分材料都是廉價(jià)的介質(zhì)，根據(jù)高頻材料和中間 FR-4 的比值不同，這樣的設(shè)計(jì)最多可以使總成本降低 25%。在幾 GHz 的范圍內(nèi)經(jīng)常使用這種結(jié)構(gòu)， 此時(shí)頂部和底部不一定要求為熱固性塑料，只要能與 FR-4 粘結(jié)的高頻材料就可以使用。圖 7 所示的 是四層混合介質(zhì)帶狀線布層，多用于數(shù)字電路。這種結(jié)構(gòu)

18、除了具備圖 6 所示結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)外，還具有 串音和電磁干擾更低的優(yōu)點(diǎn)。另外還可以在 PCB 的制造過程中控制阻抗:由于內(nèi)層的制造過程是“印 刷和腐蝕”而不是制造外層時(shí)所需要的“印刷、制版和腐蝕”，所以可以精確控制傳輸線的寬度， 控制阻抗。但是這種結(jié)構(gòu)通常只適用于數(shù)字電路，因?yàn)閿?shù)字器件具有更好的抗噪聲能力，可以承受 一定的阻抗不連續(xù)。 5 結(jié)論 從理論和實(shí)踐中感悟到，在選擇用于高頻電路的所用的基板材料時(shí)，對基板材料的特性要求要 特別注重考察它的 tan，在不同頻率下的變化特性如何。而對側(cè)重于信號高速傳輸方面的要求， 或?qū)?cè)重于具備有特性阻抗高精度控制要求時(shí)，則應(yīng)該重點(diǎn)考察所用的基板材料的r 特性及

19、其它在 頻率、濕度、溫度等條件變化下的性能情況。國內(nèi)外學(xué)者們也從不同的方面對這個(gè)問題進(jìn)行了深入 的研究:包括對環(huán)氧樹脂的改性、換用其它樹脂體、混雜玻纖、使用空心玻纖、適當(dāng)布置多層結(jié)構(gòu)、 合理布線、采用嵌入無源元件等，都可以在某種程度上改善高頻 PCB 基板的特性。但要得到一個(gè)普 遍使用的方案，還需要進(jìn)一步研究。另外，高頻下介電性能的測量也是學(xué)者們研究的熱點(diǎn)，還有的 學(xué)者從理論上得到混合物介電常數(shù)的估算模型，這些對高頻 PCB 基板的改性都有很重要的意義。 7 7 參考文獻(xiàn) 1祝大同低介電常數(shù)電路板用烯丙基化聚苯醚樹脂J絕緣材料,2001,5(1:28-33. 2祝大同覆銅板用新型材料的發(fā)展(1

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