一種無鹵和超低損耗覆銅板的研制

陳宇航 胡 鵬 曾憲平 關(guān)遲記

（廣東生益科技股份有限公司 國家電子電路基材工程技術(shù)研究中心，廣東 東莞 523808）

0 引言

通信基站、通信網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)中心、云計算等領(lǐng)域的快速發(fā)展下，電子產(chǎn)品走向高頻高速化，它們的市場擴大也驅(qū)動了作為高速印制電路板（PCB）基板材料——高速覆銅板在產(chǎn)品品種及其技術(shù)的新發(fā)展[1]。覆銅板（CCL）是將增強材料浸以粘結(jié)劑，一面或兩面覆以銅箔，經(jīng)熱壓而成的一種板狀材料。一般將適于低信號傳輸損耗、具有高頻高速傳輸特性的PCB用基板材料，稱為高速電路用基板材料。按照損耗來分，可以分為中損耗（mid low loss）、低損耗（low loss）、甚低損耗（very low loss）、超低損耗（ultra low loss）級別，而對于覆銅板來說，損耗與基板的損耗因子（Df）相關(guān)性較大。

隨著以Intel為主導(dǎo)的服務(wù)器產(chǎn)品發(fā)展趨勢，將會在2020年底正式推出PCIe5.0，屆時主要端口的傳輸速率將會有現(xiàn)在Purely平臺的16 Gbps上升到32 Gbps，Intel也提出了對應(yīng)的基材損耗要求為IL@16 GHz＜1.02 dB/in。從目前終端處了解的信息分析來看，設(shè)計師依據(jù)Intel的技術(shù)規(guī)格要求，在考慮材料的溫度系數(shù)基礎(chǔ)上，損耗要求提高為：IL@16 GHz＜0.9 dB/in。可靠性方面由于設(shè)計的密度增加，PCB的層數(shù)和厚度將會由原來的16層/2.8 mm提高到24～28層/3.2～3.8 mm。本文重點介紹了一款ultra low loss級別，高速領(lǐng)域的覆銅板，介紹了板材的開發(fā)思路、介電性能、可靠性等，該板材可以滿足下一代服務(wù)器產(chǎn)品的應(yīng)用需求。

1 高耐熱性低傳輸損耗的覆銅板開發(fā)思路

1.1 高速高頻化PCB特性與基板材料ε、tanδ的關(guān)系

在高速高頻電路中，信號的傳輸速率與絕緣材料介電常數(shù)Dk（或ε）存在如式（1）關(guān)系[2]：

式（1）中ν—信號傳輸速率，ε—基板介質(zhì)常數(shù)，c—光速。

基材介質(zhì)常數(shù)Dk越低，信號傳輸速率越快。因此要實現(xiàn)信號傳輸速率的高速化，必須開發(fā)低介電常數(shù)的基板。

隨著信號頻率的高速高頻化，基板中信號的損耗不能再忽略不計。信號損耗與頻率、介電常數(shù)Dk、介質(zhì)損耗因子Df或tanδ關(guān)系如式（2）所示：

式（2）中α—信號傳輸損耗，k—常數(shù)，tanδ—介質(zhì)損耗，ε—基板介質(zhì)常數(shù)，c—光速。

從上式我們可知，基板介電常數(shù)Dk越小、介質(zhì)損耗因子Df越小，信號損失就越小。因此在高頻板的開發(fā)過稱中，要求板材絕緣材料具有低的介電常數(shù)Dk及低介質(zhì)損耗因子Df。

介電常數(shù)除影響信號的傳輸速率外，還在很大程度上決定印制板的特性阻抗，其表達(dá)式如式（3）所示：

式（3）中：Z0—印制板傳輸線的特性阻抗，ε—基板介電常數(shù)，h—介質(zhì)厚度，w—導(dǎo)線寬度，t—導(dǎo)線厚度。為了保證高頻電子電路特性阻抗的連續(xù)性，降低因特性阻抗不匹配導(dǎo)致信號反射的損耗，對基材的Dk、厚度的穩(wěn)定性和均勻性提出了嚴(yán)格的要求[2]。

1.2 聚合物基體

常用的聚合物基體可分為極性和非極性兩類。極性聚合物由于自身固有的極性具有較高的介電常數(shù)，但是同時介電損耗較大。比較典型的有：聚偏氟乙烯、聚氯乙稀、聚甲基丙烯酸甲酯、聚酰胺、環(huán)氧樹脂等。非極性聚合物由于自身分子結(jié)構(gòu)的對稱性具有較低的介電常數(shù)，通常為2～3，同時介電損耗很小。比較典型的有：聚四氟乙烯、碳?xì)錁渲熬郾矫训取Ｈ绫?為不同樹脂基體的介電性能[3]。

表1 不同樹脂的介電常數(shù)與介質(zhì)損耗因子（Dk/Df）[3]

由表1中的不同樹脂的介質(zhì)損耗因子大小對比可知，許多常用的聚合物的介質(zhì)損耗因子tanδ較小，可選為主體樹脂基體。但對于制造覆銅板，選用主體樹脂基體應(yīng)盡可能的采用熱固性樹脂，使板材具有足夠的耐熱性能和機械強度。改性聚苯醚樹脂是經(jīng)過將大分子熱塑性聚苯醚樹脂小分子化和官能化改性，進而降低其熔融粘度，并具備與特定交聯(lián)劑進行交聯(lián)固化，且保持其本身高的機械強度及耐熱性，較好的尺寸穩(wěn)定性和優(yōu)異介電性能，且隨溫度、頻率的變化較小。

1.3 功能性填料

由于高分子聚合物本身的熱膨脹率較大，尺寸穩(wěn)定性較差，使用純的改性聚苯醚樹脂組合物固化后制備的覆銅板的熱膨脹系數(shù)大，易出現(xiàn)分層爆板的問題，且成本較高。為解決覆銅板熱膨脹系數(shù)大和成本高的問題，通常在配方中引入功能性填料，其中硅微粉是較為常見的一種。硅微粉是由石英加工而成的粉體，具有高絕緣性、高熱傳導(dǎo)性、高穩(wěn)定性、低的熱膨脹系數(shù)和低成本等特性。由于硅微粉具有較多的優(yōu)良性能，因此在覆銅板行業(yè)的應(yīng)用日趨廣泛，成為覆銅板的重要組成部分[4]。

1.4 其他材料選擇

為使覆銅板可滿足其他方面的需求，需引入不同功能的輔助材料。例如，為提高基材的阻燃性，需要添加一定的阻燃劑。

2 實驗部分

2.1 主要原材料

改性聚苯醚樹脂、交聯(lián)劑、填料、阻燃劑、溶劑等。

2.2 覆銅板的制作

根據(jù)設(shè)計好的實驗配方，稱取一定量改性聚苯醚樹脂、改性樹脂、交聯(lián)劑、阻燃劑和溶劑共混攪拌制得均勻膠液，調(diào)整好上膠機夾軸間隙、轉(zhuǎn)速，使用E-玻纖布作為增強材料，浸以配好的膠液，均勻上膠。將浸過膠液的玻纖布放入設(shè)定好烘烤條件的烘箱，烘成半固化粘結(jié)片。然后將制得的粘結(jié)片根據(jù)不同板材厚度的要求疊加，兩面覆以銅箔，置于真空壓機中壓制成覆銅板。

2.3 覆銅板性能測試

參照IPC標(biāo)準(zhǔn)及生益科技的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的檢測方法，對由上述組合物制成的覆銅板進行性能測試，主要測試項目及儀器見下。

（1）玻璃化轉(zhuǎn)變溫度Tg：動態(tài)熱機械分析法（DMA）；（2）熱分解溫度Td：熱重分析法（TGA）；（3）X、Y、Z-CTE及熱分層時間T288：熱機械分析法（TMA）；（4）介電常數(shù)與介質(zhì)損耗因子：SPDR法（3、5、10 GHz）、平板電容法（1 GHz）；（5）層間結(jié)合力：剝離強度測試儀；（6）熱導(dǎo)率：熱阻儀，按ASTM D5470標(biāo)準(zhǔn)；（7）銅箔剝離強度：剝離強度測試儀，按IPC-TM-650方法；（8）高溫高濕吸水率：恒溫恒濕箱，85℃/85% RH，168h；（9）燃燒性：燃燒試驗箱（UL94）。

3 結(jié)果與討論

3.1 覆銅板基本性能

為使基材達(dá)到Ultra low loss級別的電性能和耐熱性，經(jīng)過反復(fù)的實驗、考察，最后確定了體系中各物料的質(zhì)量百分比，研制的高耐熱性、低傳輸損耗的覆銅板具有優(yōu)異的綜合性能，具體如下表2所示。

3.2 覆銅板耐熱性分析

由表2和圖1～圖4可知，本文所研制的覆銅板具有較高的熱分解溫度（Td），如圖1所示，Td（5%loss）高達(dá)430.43 ℃。另外，該覆銅板具有較高的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（Tg），如圖2所示Tg（DMA）為210.6 ℃ 研制的覆銅板具有較低的熱膨脹系數(shù)，說明板材具有較高的尺寸穩(wěn)定性，有利于其在PCB加工過程中的順利定位。該覆銅板的熱膨脹系數(shù)（z-CTE），如圖3所示，α_1|:60.14 μm/（m·℃），α_2|:230.6 μm/（m·℃），50～260 ℃的膨脹百分比：2.623%。

表2 覆銅板基本性能表

此外，如圖4所示，該覆銅板還具有較長的熱分層時間，T360為86.5 min，說明板材具有優(yōu)異的耐熱性能，完全可以滿足后續(xù)PCB加工。

圖1 覆銅板熱分解溫度Td測試曲線圖

圖2 覆銅板T360測試曲線圖

圖3 覆銅板z-CTE測試曲線圖

圖4 覆銅板玻璃化轉(zhuǎn)變溫度Tg測試曲線圖

3.3 高多層PCB應(yīng)用

3.3.1 多層板耐熱性

高多層印制電路板的耐熱可靠性除了與原材料覆銅板的耐熱性相關(guān)外，與PCB的加工有較大關(guān)系。在同等條件下，PCB板層數(shù)越高，厚度越大，內(nèi)層銅厚度越厚，間距（Pitch）越小，對基材耐熱性要求更高。本文采用新開發(fā)的覆銅板制作成28層3.7 mm厚度的高多層PCB，內(nèi)層含有6層70 μm厚銅，最小節(jié)距（pitch） 0.65 mm BGA和0.25 mm散熱孔進行考試，分別做6次260 ℃無鉛回流焊和6次288 ℃漂錫處理。制作切片對板材內(nèi)部形貌進行觀察，都無分層、爆板或裂紋等缺陷出現(xiàn)，表現(xiàn)出良好的耐熱可靠性，見圖5。

圖5 28 L板6次漂錫處理后的切片圖

3.3.2 SI（信號完整性）性能

表3為覆銅板插入損耗（IL）性能表，從表中可以看出，板材搭配HVLP2銅箔，0.102 mm芯板搭配0.127 mm PP，在16 G頻率下IL為0.722 dB/in，板材搭配RTF2銅箔，0.102 mm core搭配0.127 mm PP，在16 G頻率時IL為0.751 dB/in，可以滿足Inter新一代Purely平臺的損耗要求。

3.3.3 CAF（耐離子遷移）性能

圖6為覆銅板CAF性能測試圖，模型為28L多層板，內(nèi)含6×2 oz銅箔，測試條件為溫度85 ℃，濕度85%，電壓為100 V，從圖中可以看出，在經(jīng)過1000 h的測試后，4種節(jié)距的通道其電阻均在108 Ω以上，CAF性能良好。

3.3.4 IST（互聯(lián)應(yīng)力測試）性能

覆銅板IST性能測試，模型為28 L多層板，內(nèi)含6×2 oz銅箔，測試條件為（150 ℃/3 min）-（25 ℃/2 min），在經(jīng)過1000循環(huán)的測試后，其電阻變化率均小于10%，IST性能良好。

表3 覆銅板SI性能表

圖6 覆銅板CAF性能圖

4 結(jié)論

本文研究開發(fā)了一款超低損耗級別的覆銅板及粘結(jié)片材料，該材料具有較高Tg、較高的耐熱性和耐CAF性，較低的介質(zhì)損耗和插入損耗、且PCB加工性優(yōu)異，可滿足通信領(lǐng)域用的高多層PCB的耐熱性和信號完整性的需求。