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1、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:2.5GHz Bluetooth:2.5G
2、Hz 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,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F
3、R4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
4、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。
5、,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
6、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（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
7、,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
8、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
9、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 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
10、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）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
11、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
12、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。
13、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，其信号在导线表面的传输厚度为3mm，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
14、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：,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,传统FR4基材应用的局限
15、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、
16、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
17、气绝缘性能优良，r只有2.45 PPO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r和tan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r和tan均有强烈影响。降低交联点间极性基团的浓度，可以降低tan。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
18、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S
19、iO2、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（1 MHz），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（Dk4.7，1 MHz）和Q玻纤（Dk3.9，1 MHz），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
20、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Low Dk和Low Df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
21、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：PTFECE基板（热固性氰酸脂树脂）PPO基板（热固性聚苯醚树脂）BTPI改性EP EP；各种PCB常用材料的信号传输速度：PTFECEPPO改性EPBTPIEP；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
22、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、
23、高性能层压板。,高频基材的种类和特点,PCB设计的高频材料选择：,高频基材的种类和特点,PCB设计的高频材料选择：,高频基材评估验证的方向,对高频基材及印制板的评估验证需综合考虑：,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,对于耐热性能：高频板材的线路结合力都比较差，需考究加工工艺特点、药水与板材的匹配性，以提供板件耐热性能。,对于加工成本：,高频基材评估验证的方向,1、基材要求严格：在PCB设计时，已经根据实际阻抗
24、的需要，选择了指定的介电常数、介质厚度、铜箔厚度，因此，在接受订单时，要认真核对，一定要满足设计要求。2、高频板结构：一般为节省成本，大多数商用高频板都使用RF+FR4的复合结构，在制作过程中必须要防止翘板。2、传输线制作精度要求高：高频信号的传输，对于印制导线的特性阻抗要求十分严格，即对传输线的制作精度要求一般为1mil，传输线的边缘要非常整齐，不允许毛刺、缺口，也不能补线。3、镀层均匀性要求高：高频微波板传输线的特性阻抗直接影响微波信号的传输质量。而特性阻抗的大小与铜箔的厚度有一定的关系，特别对于孔金属化的微波板，镀层厚度不仅影响总的铜箔厚度，而且影响蚀刻后导线的精度，因此，镀层厚度的大小
25、及均匀性，要严格控制。4、机械加工方面的要求：首先高频微波板的材料与印制板的环氧玻璃布材料在机加工方面有很大的不同；其次是高频微波板的加工精度比印制板的要求高很多，一般外形公差为0.1mm（精度高的一般为0.05mm或者为0-0.1mm）。5、阻抗要求严格：特性阻抗的内容，它是高频微波板最基本的要求，不能满足特性阻抗的要求，一切都是徒劳的。,加工特点：,高频微波板制造工艺技术,线路缺陷严控：高频印制板线路中传送的不是电流，而是高频电脉冲信号，线路上的凹坑、铜瘤、缺口、针孔等缺陷均会影响传输，频率越高影响越大，任何这类小缺陷都是不允许的，绝对不允许线路开短路修理。讯号线宽严控：高频信号传输的特性
26、阻抗控制要求非常严格，线宽控制公差不能再按20控制，最严已达0.010mm。由于线路结合力不同，高频板料蚀刻时需及时调整蚀刻参数或做好线路线宽的工艺补偿。,高精度图形转移和控制：,高精度图形转移和控制：,相对于常规FR-4材料，高频材料的线路结合力很低。如对比某两款陶瓷料和某FR-4高频材料：,高精度图形转移和控制：,高频材料压合一般都需要快速升温(2.0-5.6/min)且需控制精准、压合温度高(190-200)且高温持续时间长(一般90min)等，对层压工序的对位/压合设备、棕/黑化药水是一个极大挑战。,试验表明高温压合对一般的棕化药水的耐热性影响明显。对比料温200-207保持15min
27、左右的棕化层微观结构，随着高温料温的增加增长，棕化层的典型蜂窝状结构遭到破坏：膜层塌陷增加、蜂窝状变得不明显、粗糙度降低等。,多层板的压合控制：,多层板的压合控制：,针对目前的高频材料配方主要还是氰酸酯树脂(CE)、聚苯醚或改性聚苯醚(PPO)结构，板材Tg点较高，建议层压参数考究释放残余热应力改善层压板件品质性能。否则Tg将严重偏大：,对于类似Rogers半固化片采用热塑性粘结片形式的高频材料，层压叠层设计、层压生产操作(如对位、叠板、清洁等)还需格外关注：,多层板的机加工控制：,高频材料含有大量的Filler或受树脂特性影响，刚性强脆性差，钻孔需考究叠板数、进给速及转速，并适当牺牲钻咀及锣
28、刀的使用寿命，否则容易出现钻孔披锋毛刺大、芯吸(灯芯)偏大等，相对于常规FR-4而言，钻咀寿命需大大降低。,钻孔需考究叠板数、进给速及转速，并适当牺牲钻咀及锣刀的使用寿命，否则容易出现钻孔披锋毛刺大、芯吸(灯芯)偏大等。如某款陶瓷料R-5对钻咀磨损的SEM表征如下，相对于常规FR-4而言，钻咀寿命需大大降低。,多层板的机加工控制：,高频材料的Desmear工艺条件一般要求较严。除PTFE材料外，必须Plasma外，目前业界的高频板料其实不必像供应商所言必须Plasma，但必须优化Desmear条件。,如某陶瓷高频料，供应商认为Tg点很高，无需Desmear处理，但试验证明即使Tg点再高，均需除
29、胶流程，且若Desmear参数不好，还很容易出现内层连接失效(ICD)或孔壁树脂凹蚀不足：,多层板的孔金属化控制：,无论是陶瓷板高频料还是CE、PPO树脂体系，通过调整碱性高锰酸钾药水体系的工艺参数，虽可完全避免ICD现象，但很难得到常规FR-4基材常见的典型蜂窝状结构，需考究电镀参数保证孔铜可靠性。,多层板的孔金属化控制：,特性阻抗控制是高频高速微波印制板最基本的要求，不能满足特性阻抗的控制要求，一切都是徒劳的。随着使用频率和信号传送速度的提高，对高频高速数字PCB的特性阻抗的高精度控制要求越来越高。Dk与信号传输速度、PCB设计的特性阻抗有关，一般阻抗越大，信号传输越快，简单抽象地说就是阻
30、抗越大，即阻止信号渗入介电层的能力越大，其信号传输就越快。,多层高频板的阻抗控制：,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：,通过微分(设定H、W、T均为常数)，得如下Dk变化与阻抗控制精度(Zo)关系表达式：,降低Dk可提高Zo，降低Dk的偏差可提高阻抗控制精度。,多层高频板的阻抗控制：,在阻抗设计方面，建议客户采用Surface microstrip、Edge-coupled offset stripline及共面波导阻抗设计模块。对于各种板材，采用适当的Dk参数、适当计算软体，在恰当的过程控制下，可得到非常理想的特性阻抗控制，特性阻抗控制公差可实现7。,多层高频板的阻抗控制：,导体电路上的传输损失包括导体损失、介质(绝缘体)损失、辐射损失三方面，前二者都与频率相关(成正比关系)。PCB厂家在要求CCL厂的铜箔厂家/规格(使用RTF铜箔)、树脂厂家、玻纤厂家、RC含量等的同时，自身需要严格控制线路蚀刻状况、表面处理流程等。试验表明：表面涂层对高频板件损耗的影响较小,多层高频板的表面处理,在10GHz的工作频率下，喷锡、沉镍金、沉厚金、全板镀金及OSP表面处理的损失均在0.1dB/inch以下；随着频率的增加，表面处理的选择变得越来越重要；具有良好导电性能且很薄的涂层对信号影响最小。,
