5G通信對(duì)PCB基材的要求

林金堵

本刊名譽(yù)主編

我國5G通信在華為科技公司等的帶領(lǐng)下，全世界正在以空前的發(fā)展速度推動(dòng)著！5G通信不僅其數(shù)據(jù)大、傳輸速度成倍（或指數(shù)）提升，而且融入網(wǎng)絡(luò)（如物聯(lián)網(wǎng)、車聯(lián)網(wǎng)、人工智能、互動(dòng)式多媒體等），更大地拓寬了相關(guān)應(yīng)用的領(lǐng)域，隨著5G通信的提速、拓寬和進(jìn)步，使人類社會(huì)快速進(jìn)入“萬物互聯(lián)”的時(shí)代！

大量公開資料指出：今后三五年，5G通信將超過智能終端和汽車電子的兩大應(yīng)用市場，必然會(huì)成為帶動(dòng)印制電路板（PCB）產(chǎn)業(yè)增長的第一引擎！同時(shí)，由于5G通信的傳輸高頻高速化和融入網(wǎng)絡(luò)化，采用的PCB皆為高密度、撓性和剛-撓結(jié)合，從所采用的基板材料、生產(chǎn)檢測的設(shè)備、PCB結(jié)構(gòu)和性能等角度看，它將給PCB產(chǎn)業(yè)帶來升級(jí)，從而走上新的臺(tái)階，使我國PCB產(chǎn)品走向高質(zhì)量化、高檔化！同時(shí)，5G通信的發(fā)展將帶來PCB產(chǎn)值新的增長點(diǎn)，如僅5G通信的射頻側(cè)基站用PCB產(chǎn)值將達(dá)到240億/年（中國占25%），是4G通信的4倍以上。因此，這預(yù)示著PCB行業(yè)會(huì)走上以5G為特色的PCB產(chǎn)品時(shí)代！未來兩三年內(nèi)，5G通信的PCB將也會(huì)像5G通信一樣，十分精彩！

1 5G通信的基本特性和要求

1.1 5G通信的頻率范圍

5G通信技術(shù)是4G、3G和2G等的延伸擴(kuò)展，5G是高數(shù)據(jù)傳輸速率、減少延遲、節(jié)省能源、降低成本、提高系統(tǒng)容量和大規(guī)模連接以及網(wǎng)絡(luò)化的通訊技術(shù)。

根據(jù)3GPP的5G無線規(guī)范（38系列）和2017年12月發(fā)布的V15.0版TS38.104規(guī)范，5D NR頻率范圍分為FR:FR1與FR2：FR1的頻率≤6 GHz，而FR2為毫米波頻段（見表1）。實(shí)際上，目前的“三代”通信的執(zhí)行頻率如表2所示。

表1 5D NR頻率范圍

這就是說，5G通信的頻段，除了含有4G的頻段外，還有更高的頻段。目前5G通信的頻率絕大多數(shù)是在毫米波（34 GHz以上）范圍。

1.2 5G通信比4G通信的優(yōu)勢

5G通信對(duì)比4G通信的優(yōu)勢，主要體現(xiàn)在更高的速度、更大的容量、更小的延時(shí)等的特點(diǎn)。

1.2.1 高速的傳輸率

由于5G通信比4G通信快，加上延時(shí)小，根據(jù)中國聯(lián)通首批5G用戶體驗(yàn)表明，5G比4G快（40～60）倍。如從一個(gè)10G的視頻，采用4G下載需要15 min，而采用5G下載僅用9 s，快100倍。同時(shí)，隨著5G“微基站”的增加，5G通信速率還會(huì)增加。

1.2.2 更短的延時(shí)時(shí)間

由于5G通信的延時(shí)時(shí)間更短，因此更加安全可靠。如以60公里/時(shí)速行使的汽車，4G網(wǎng)絡(luò)的延時(shí)是50 ms（毫微秒），如果用50 ms剎車其緊急制動(dòng)距離達(dá)1 m或更大，這可能是產(chǎn)生激烈撞擊、傷人或生命的距離，而5G的網(wǎng)絡(luò)的延時(shí)是1 ms，用1 ms剎車其緊急制動(dòng)距離僅17 min，很顯然更安全可靠，因此5G技術(shù)用于自動(dòng)駕駛汽車是很理想的。

1.2.3 更大的傳輸容量

5G通信頻率范圍要高得多、應(yīng)用范圍寬得多。同時(shí)，5G通信的處理數(shù)據(jù)量或容量更是海量的增加（見表3）。

1.2.4 應(yīng)用范圍更加廣泛

實(shí)際上，4G還處在“人與人”之間的互聯(lián)，而5G除了“人與人”互聯(lián)外，還要加上“人與物”互聯(lián)和“物與物”互聯(lián)，并走上實(shí)現(xiàn)“萬物互聯(lián)”的時(shí)代！

5G通信比4G通信的優(yōu)勢還有很多，如干擾小、傳輸遠(yuǎn)、尺寸小、功耗低與成本低等。

由于5G通信的傳輸數(shù)據(jù)量更大、速度更快，就需要在相同面積或體積內(nèi)布局更多的射頻發(fā)射設(shè)備，依靠這些大量信號(hào)發(fā)射裝置才能滿足5G通信的傳輸數(shù)據(jù)和無線覆蓋社會(huì)區(qū)域的要求，這些設(shè)備用的PCB，不僅需要高頻高速的基板材料、而且必須精密的線路加工和精確的檢測等實(shí)施方法才能滿足要求。

2 5G對(duì)PCB基板材料的要求

5G通信的實(shí)質(zhì)是高頻化大容量的信號(hào)進(jìn)行處理和傳輸，首要任務(wù)是選擇覆銅箔板（CCL）材料，它必須滿足高頻（毫米波）信號(hào)傳輸速度減小少、即介電常數(shù)小、介質(zhì)損耗小、銅箔面粗糙度低、玻璃化轉(zhuǎn)變溫度高、熱膨脹系數(shù)小和導(dǎo)熱率高等的基板材料

2.1 介電常數(shù)對(duì)信號(hào)傳輸速度的影響

介質(zhì)層的介電常數(shù)（Dk）對(duì)信號(hào)傳輸速度的影響如公式（1）所示。從公式（1）中可看出，信號(hào)傳輸速度（V）與介質(zhì)層的Dk的平方根倒數(shù)成比例，所以要達(dá)到高速度的傳輸信號(hào)，要求介質(zhì)層的Dk要盡量地小。

表2 目前“三代”通信實(shí)行的實(shí)際頻率

表3 “四代”通信處理的內(nèi)容

式中，k——比例常數(shù)，C光——為光速（30萬千米/秒）

值得注意的是，在CCL中的介質(zhì)層是玻纖布、樹脂（或有無機(jī)填料）等組成的復(fù)合材料，其組成和結(jié)構(gòu)等因素決定了各處的Dk是不同的。要在PCB導(dǎo)線中穩(wěn)定傳輸信號(hào)速度，必須從復(fù)合介質(zhì)層的組成和結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整，如采用薄型結(jié)構(gòu)的扁平式的玻纖布等來獲得均勻性好的介質(zhì)層，使各處的介電常數(shù)值趨于一致性，才能使高頻化和高速數(shù)字化的信號(hào)傳輸速度波動(dòng)小。

2.2 CCL中介質(zhì)損耗的影響

CCL中介質(zhì)損耗（Df）的影響主要表現(xiàn)在信號(hào)傳輸過程發(fā)生衰減和產(chǎn)生熱耗上，并且將隨著高頻化和高速數(shù)字化的信號(hào)傳輸而迅速增加著。

介質(zhì)層Df的影響如公式見式（2）所示。

式中k——常數(shù)，f——信號(hào)傳輸頻率，tanδ——介電損耗角正切。從公式（2）中可看出，Df將隨著頻率f、介電常數(shù)（Dk）1/2和介電損耗角正切tanδ的增加而增加。很顯然，介質(zhì)層的Df的影響是最大的，特別是與介質(zhì)層極化率相關(guān)的tanδ大小，因此，一般所說的材料的Df是指介電損耗角正切tanδ的損耗。

2.3 CCL中銅箔面粗糙度的影響

高頻信號(hào)在銅面粗糙度傳輸會(huì)引起傳輸信號(hào)發(fā)生“反射”和“駐波”，必然會(huì)帶來傳輸信號(hào)“損失”和“失真”。而CCL中銅箔面粗糙度主要是指與樹脂壓合面的銅箔粗糙度，這種粗糙度在PCB制造過程中是無法改變的。

趨膚效應(yīng)是指信號(hào)的頻率傳輸越快，信號(hào)傳輸就越來越接近導(dǎo)體的表面進(jìn)行。高頻信號(hào)在銅導(dǎo)體趨膚深度可用公式（3）表示。信號(hào)傳輸?shù)内吥w效應(yīng)是隨著傳輸信號(hào)的頻率增加而增加。

其中d（趨膚深度）表層厚度（mm）；k——常數(shù)，對(duì)銅而言為1；f——頻率（Hz）。很顯然，隨著信號(hào)傳輸頻率的提高，在導(dǎo)體內(nèi)信號(hào)傳輸不僅集中在導(dǎo)體表面層，而且表面層傳輸厚度越來越薄，如表4所示。

從表4中可看出，隨著信號(hào)傳輸高頻化或高速數(shù)字化的發(fā)展，信號(hào)在導(dǎo)體中的信號(hào)傳輸表面厚度越來越薄，傳統(tǒng)的導(dǎo)體表面粗糙度便遇到了挑戰(zhàn)。而在1 GHz頻率以后，要求導(dǎo)線表面接近于無粗糙度（無輪廓）的結(jié)構(gòu)，必須根據(jù)信號(hào)傳輸頻率和高速數(shù)字化程度來制造合適的粗糙度銅表面，才能滿足要求。

2.4 CCL中Tg和CTE的影響

CCL中介質(zhì)層Tg（玻璃化轉(zhuǎn)變溫度）和CTE（熱膨脹系數(shù)）對(duì)5G通信的影響也提到重要的議事上來。由于5G通信PCB的主要特征是高密度、精細(xì)化，低Tg和大CTE的基材（如PTFE等）的應(yīng)用越來越困難，使基板發(fā)生嚴(yán)重變形或大的內(nèi)應(yīng)力，威脅著5G通信使用可靠性和使用壽命！

表4 信號(hào)傳輸頻率與趨膚效應(yīng)（表面層厚度）的關(guān)系

2.5 CCL中的銅箔和介質(zhì)層厚度

選擇CCL中箔銅層和介質(zhì)層厚度的要求是均勻性（偏差?。┖?。特別是介質(zhì)層的厚度均勻性：一是介質(zhì)層是由多成分（樹脂、玻纖布、填料等）組成的，其物理性能是不同的，當(dāng)然影響著各種性能；二是介質(zhì)層中的各種組成均勻性分布、特別是玻纖布機(jī)構(gòu)（要采用扁平布結(jié)構(gòu)要明顯好于常規(guī)玻纖布）等都是影響著PCB特性阻抗值大小的。

3 5G通信用的主要基板材料

3.1 5G通信用基板材料的要求

5G通信對(duì)基板材料的主要要求有：低Dk、低Df、高Tg、高Td、低CTE、高導(dǎo)熱率與低銅面粗糙度等。

3.1.1 CCL的低損耗等級(jí)要求

CCL基材的介質(zhì)損耗Df的等級(jí)劃分如表5所示。而5G通信用基板材料的要求Dk≤3.0，而Df≤0.005。

3.1.2 CCL低Dk要求

5G通信對(duì)覆銅板Dk要求是越低越好，但是絕大多數(shù)的樹脂材料的介電常數(shù)的Dk≥3.0，只有聚四氟乙烯（PTFE）小于3.0（2.2～2.6），而介電常數(shù)Df≤0.002，但由于Tg低和制造工藝難點(diǎn)多成本高，尋找新的材料是根本的出路。如美國、日本開發(fā)的液晶聚合物（LCP），在20 GHz頻率下，其Dk接近3.0、而Df接近0.002，已成功應(yīng)用到iPhone X手機(jī)的天線上[2]。

3.1.3 CCL高Tg、Td和低CTE要求

5G通信對(duì)CCL有高Tg要求，絕大多數(shù)Tg≥180 ℃，大多在180～260 ℃之間，而較高Tg溫度相應(yīng)有較高Td（熱分解溫度）溫度。大多數(shù)5G通信用覆銅板Td溫度≥400 ℃。同時(shí)，由于有高Tg和Td，必然也具有較低的熱膨脹系數(shù)（CTE）。由于較高Tg、Td的溫度和較小的CTE,，必然帶來基板內(nèi)應(yīng)力變化較小，非常有利于提高印制板的耐熱性能、性能穩(wěn)定性和使用壽命。

3.1.4 CCL高導(dǎo)熱系數(shù)CCL要求

由于有機(jī)基板介質(zhì)層的導(dǎo)熱性能差，大多數(shù)在0.2 W/m·K左右，這是基板聚熱而升溫的根源，對(duì)于高密、高頻、大容量的5G通信的性能穩(wěn)定性和使用壽命也是個(gè)嚴(yán)重的問題。因此采用加入導(dǎo)熱填料（主要是金屬氧化物和陶瓷材料等）或開發(fā)導(dǎo)熱性的樹脂材料等來提高導(dǎo)熱性能，目前較好的基板的介質(zhì)層的導(dǎo)熱性能可提高到0.6 W/m·K左右。

表5 低介質(zhì)損耗等級(jí)與典型的樹脂品種

表6 CCL銅箔處理面粗糙（輪廓）度Ra等級(jí)

3.1.5 CCL銅箔處理面粗糙度要求

由于高頻信號(hào)在導(dǎo)體的粗糙表面的趨膚效應(yīng)在信號(hào)傳輸過程中必然產(chǎn)生“駐波”、“反射”等造成信號(hào)減弱。因此，不僅要求PCB 制造過程中的導(dǎo)體表面低粗糙化，又要求CCL的銅箔與樹脂壓合面必須低粗糙化。目前，CCL的供應(yīng)商可以提供銅面粗糙（輪廓）度不同程度的產(chǎn)品，如表6所示。

目前，在CCL的供應(yīng)商可以提供銅面粗糙度超低等級(jí)的廠家主要集中在日本，而國內(nèi)能夠制造≤1.0 μm的輪廓銅箔的廠家并不多。

3.2 目前可用的CCL類型和選擇

目前，應(yīng)用于5G通信、智能終端汽車電子等領(lǐng)域的高頻高速信號(hào)傳輸?shù)腃CL基材主要有：（1）聚四氟乙烯類；（2）碳?xì)錁渲?；?）熱固性樹脂（含改性聚酰亞胺等）類；（4）特種樹脂（或膜）材料；（5）改性（或多官能團(tuán)）環(huán)氧樹脂類。要根據(jù)用戶產(chǎn)品特性、應(yīng)用條件、成本等綜合考慮而選擇相應(yīng)的CCL。

3.2.1 聚四氟乙烯（PTFE）類的CCL

這類CCL是目前具有最低的Df和Dk以及其它優(yōu)越性能等，這一類型既有PTFE+玻纖布，又有改性或添加填料PTFE+玻纖布的CCL材料。

這一類型：Dk為2.1～3.0（隨金屬氧化物加入量增加而加大）之間，Dk也可以達(dá)到10以上；Df為0.0009～0.004之間，Dk也是隨金屬氧化物加入量增加而增加著；導(dǎo)熱率在（0.25～0.75）W/m·k之間；CTE的X、Y方向（由于玻纖布、填料），可從（7～18）×10-6/℃之間的變化，而Z的變化較大，在小于Tg溫度內(nèi)其變化為（30～220）×10-6/℃之間。PTFE的Tg為79 ℃，Td可高達(dá)500 ℃以上。PTFE類CCL的最大弱點(diǎn)是Tg溫度低、CTE大等帶來形變和內(nèi)應(yīng)力而影響高密度板加工和使用生命或可靠性。同時(shí)，加工難度大、價(jià)格高等。

3.2.2 碳?xì)漕惖腃CL

碳?xì)漕怌CL的性能僅次于PTFE類板材，其導(dǎo)熱率和Tg溫度要好于PTFE類。碳?xì)漕惖腃CL的主要特性：Dk為3.0～3.5（隨金屬氧化物加入量增加而加大）之間；Df為0.0025～0.0035之間（隨金屬氧化物加入量增加而增加）；導(dǎo)熱率在0.60～0.80 W/m·k之間；CTE的X、Y方向（由于玻纖布、填料），可從（9～18）×10-6/℃之間的變化，而Z向變化為（30～50）×10-6/℃之間；Tg為280 ℃，Td為400 ℃以上。加工性比環(huán)氧樹脂類要困難，但比PTFE類好多了，價(jià)格也便宜些，這對(duì)高密度的封裝載板制造是有利的。

3.2.3 熱固性樹脂CCL

目前這類熱固性樹脂CCL（包含改性的PI、BT、聚苯醚等）。其主要特性：Dk為3.0～3.6（隨金屬氧化物加入量增加而加大）之間；Df為0.002～0.003之間(隨金屬氧化物加入量增加而增加)；導(dǎo)熱率在（0.40～0.50）W/m·k之間；CTE的X、Y方向（由于玻纖布、填料）可從（13～22）×10-6/℃之間的變化；Tg為200 ℃左右，而Td為400 ℃以上。

3.2.4 改性的環(huán)氧樹脂CCL。

由于環(huán)氧樹脂的加工性能好，對(duì)它進(jìn)行改進(jìn)仍有發(fā)展前景，改性的環(huán)氧樹脂CCL便是例證。目前改性環(huán)氧樹脂CCL的主要特性：Dk為3.6～4.2（隨金屬氧化物加入量增加而加大）之間；Df為0.006～0.012之間（隨金屬氧化物加入量增加而增加）；導(dǎo)熱率在（0.40～0.80）W/m·k之間；CTE的X、Y方向（由于玻纖布、填料）可從（13～18）×10-6/℃之間的變化；Tg為180 ℃，Td為350 ℃以上。由于加工性能好、成本較低，對(duì)某些領(lǐng)域的應(yīng)用仍有廣闊用途。

3.2.5 特種樹脂材料

具有很低Dk和Df等的材料不斷開發(fā)出來并得到應(yīng)用，如Dk為3.0和Df為0.002左右的液晶聚合物（LCP）材料和膜得到了應(yīng)用，還有聚苯醚樹脂（PPO）類和BMI樹脂等也得到了開發(fā)和應(yīng)用！有采用“空氣珠”形成的介質(zhì)層，其Dk可達(dá)到1.2、甚至更小，用量少應(yīng)用于特殊的場合。

總之，近十年來,我國在高頻高速的CCL材料方面有了快速的發(fā)展與進(jìn)步，在2020年8月CPCA展會(huì)上，生益科技、南亞、聯(lián)茂、華正、騰輝等企業(yè)（集團(tuán)）都能提供用于5G通信、智能終端、汽車電子、航空航天等領(lǐng)域的高頻高速的CCL等材料，這是我國CCL產(chǎn)業(yè)可喜而巨大的進(jìn)步，解決了過去依賴進(jìn)口的基礎(chǔ)性材料問題。而現(xiàn)在美國更是變本加厲地進(jìn)行“制裁”，極力制止我國發(fā)展與進(jìn)步！今后還想依靠外國技術(shù)和產(chǎn)品是走不通了，我國只有走自力更生、才能發(fā)展壯大的道路！