高頻高速通信覆銅板信號損失分析及研究進(jìn)展

蘇曉渭，趙海波，王成勇，王冬艷，盛小濤

（1.安徽鴻海新材料股份有限公司，安徽安慶246121；2.合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，合肥230009）

1 引言

覆銅箔層壓板（Copper Clad Laminate，CCL）簡稱覆銅板，是印制電路板（Printed Circuit Board，PCB）的重要基板。為了提高通訊速度，必須提高通訊頻率。目前4G網(wǎng)絡(luò)頻率在0.7～3.5 GHz之間，而5G網(wǎng)絡(luò)頻率遠(yuǎn)高于4G。5G高頻高速通訊領(lǐng)域如基站及其配套設(shè)施、交換機(jī)、服務(wù)器、通訊終端、毫米波雷達(dá)等都需要大量新型CCL[1]。

在數(shù)據(jù)傳輸過程中，傳輸速度是首要考量因素，但要達(dá)到高質(zhì)量通訊的要求，通訊過程中的信號損耗和失真必須重點(diǎn)考慮。不斷提高通訊頻率，就會使原本在低頻下可以忽略的信號損失變得不可忽略。本文分別討論了高頻下集成電路損耗的4類損失機(jī)理及國內(nèi)研究進(jìn)展。

2 集成電路損耗

高頻下集成電路損耗主要由4個部分組成，如式（1）所示：

其中αT為總傳輸損耗，αC為導(dǎo)體損耗，αD為介電損耗，αR為輻射損耗，αL為泄漏損耗[2]。

3 導(dǎo)體損耗

3.1 導(dǎo)體損耗產(chǎn)生的原因

導(dǎo)體損耗是由多種因素引起的，如銅箔表面粗糙度、導(dǎo)體的等效電阻、趨膚效應(yīng)等。CCL所用銅箔無論是電解銅箔還是壓延銅箔，其原料都是電解銅，銅的純度很高，電阻的差別較小，因此上述3個要素的綜合作用是導(dǎo)體損耗的關(guān)鍵因素。

當(dāng)交變電流通過導(dǎo)體時，會產(chǎn)生不斷變化的磁場，而變化的磁場又會引發(fā)額外的電流，額外電流方向與原電流方向相反，在導(dǎo)體中心部位的磁場最強(qiáng)，在這個位置產(chǎn)生的額外電流與原電流相互抵消，最終表現(xiàn)出來的是電流在導(dǎo)體表面聚集，這種現(xiàn)象被稱為趨膚現(xiàn)象。在某一深度內(nèi)，電流密度為表面電流密度的1/e，該深度稱為趨膚深度，可用式（2）表示[3]。

其中δ為趨膚深度，f為頻率，μ為磁導(dǎo)率，σ為電導(dǎo)率。

承載電流導(dǎo)體的有效橫截面減小，從而導(dǎo)致更高的等效電阻；由式（2）可知，頻率越高，趨膚深度越?。\），粗糙銅箔中高頻電流和低頻電流的走向?qū)Ρ热鐖D1所示，對于粗糙輪廓的導(dǎo)體，較低的趨膚深度將導(dǎo)致電流跟隨材料的輪廓，從而實(shí)質(zhì)性地增加了傳播路徑的有效長度。

圖1 粗糙銅箔中高頻電流和低頻電流的走向?qū)Ρ?/p>

由于趨膚效應(yīng)和粗糙度的綜合影響，高頻下的粗糙導(dǎo)體損耗與平滑導(dǎo)體損耗就會有不同，HAMMERSTAD和JENSEN通過導(dǎo)體損耗修正因子Ksr將粗糙導(dǎo)體損耗和平滑導(dǎo)體損耗聯(lián)系起來，建立了式（3）[4]。

αc（粗糙）為粗糙導(dǎo)體損耗，αc（光滑）為平滑導(dǎo)體損耗。

導(dǎo)體損耗修正因子的大小與趨膚深度和導(dǎo)體表面粗糙度有關(guān)，可用式（4）表示：

其中hRMS為表面粗糙度均方根，δ為趨膚深度。hRMS的大小與導(dǎo)體表面粗糙度有關(guān)，粗糙度越大其值越大，由式（2）可知趨膚深度是電流頻率的函數(shù)，隨著電流頻率的增加，趨膚深度不斷變小。從式（4）中可知導(dǎo)體損耗修正因子最大為2，即導(dǎo)體表面粗糙度對于導(dǎo)體損耗的影響最大可達(dá)2倍。

HAMMERSTAD和JENSEN建立的上述模型與實(shí)際情況稍有偏差，相關(guān)學(xué)者進(jìn)行了進(jìn)一步研究，引入了電感因素，為精確量化分析導(dǎo)體表面粗糙度與信號損失提供了更加細(xì)化的理論依據(jù)[5]。

綜上所述，降低導(dǎo)體損耗最有效的方法還是降低銅箔表面的粗糙度，通過控制銅箔生產(chǎn)工藝和后續(xù)粗化參數(shù)，可以大幅降低信號損耗。

3.2 銅箔粗糙度控制

電解銅箔是硫酸銅溶液在直流作用下，筒狀陰極表面電沉積金屬銅并持續(xù)剝離制成原箔，再對原箔進(jìn)行粗化、耐熱及防氧化處理得到的[6]。其粗糙度主要受到以下3個方面影響：（1）陰極輥表面形態(tài)；（2）陰極極化作用的強(qiáng)弱；（3）添加劑的影響。

當(dāng)鈦制陰極輥的表面粗糙度為0.4 μm時，生產(chǎn)的銅箔表面會有明顯凸起，光面色澤不均，表面質(zhì)量差，而當(dāng)陰極輥表面粗糙度降至0.2 μm時，生產(chǎn)出的銅箔相對平整。因此在生產(chǎn)電解銅箔的過程中要注意對陰極輥的養(yǎng)護(hù)和拋光[7]。

提高金屬結(jié)晶時的陰極極化作用可提高晶核生成速度，易得到致密的細(xì)晶組織，一般通過以下方法提高陰極極化作用：（1）提高電流密度；（2）提高銅離子濃度，隨著銅離子濃度的升高，毛面粗糙度降低，適宜的銅離子濃度為80～90 g/L；（3）適當(dāng)降低溶液溫度，但會影響反應(yīng)速率；（4）增加電解液流速[8-9]。

電解銅箔的粗糙度也可以通過在電鍍液中添加有機(jī)添加劑來控制。在電沉積過程中，電流密度和電場強(qiáng)度在銅箔襯底的突起峰上集聚度較高，因該峰趨于更快地生長而產(chǎn)生了粗糙的表面。如果某些有機(jī)分子優(yōu)先吸附在表面的峰上，此時銅離子有利于在谷底進(jìn)行沉積，從而生成粗糙度更低的銅箔。常見的添加劑有明膠和羥乙基纖維素等[3,6]。

壓延銅箔的表面粗糙度主要與以下因素有關(guān)：一是軋輥的表面粗糙度；二是軋制油的粘度，粘度越大，油膜就越厚，阻礙了軋輥的碾壓作用，使粗糙度增大；三是軋制速度，根據(jù)油膜軸承原理，軋輥轉(zhuǎn)動速度越高，油膜形成的壓力越大，油膜厚度越厚，也會使粗糙度增大[10-11]。

3.3 低粗糙度銅箔的抗剝離強(qiáng)度控制

降低CCL銅箔的粗糙度在降低信號損失的同時，將帶來與半固化片壓合后剝離強(qiáng)度下降的問題。為了保證銅箔低粗糙度的同時還要有足夠的剝離強(qiáng)度，常規(guī)增強(qiáng)銅箔的附著力方法是對銅箔與樹脂粘附的那一面進(jìn)行粗化處理，但這樣得到的表面會參差不齊，信號損失嚴(yán)重。國內(nèi)外學(xué)者在該領(lǐng)域進(jìn)行了深入研究。日本Namics公司的SUZUKI[12]對銅箔表面進(jìn)行納米化處理，先將銅箔進(jìn)行酸洗去除氧化層，再使用專用處理溶液在銅表面形成納米結(jié)節(jié)。經(jīng)顯微分析，處理后的納米級銅箔表面較傳統(tǒng)超低輪廓銅箔表面更加致密且均勻，納米級結(jié)節(jié)大幅增加接觸面積，納米尺度的錨固效應(yīng)使銅箔與半固化片粘合更緊密，剝離強(qiáng)度滿足特定應(yīng)用要求。SUZUKI[13]進(jìn)一步利用4種不同納米尺度的銅箔與參照組的超低輪廓度銅箔進(jìn)行對比，通過與3種不同的低介電損耗的半固化片進(jìn)行交叉結(jié)合實(shí)驗(yàn)，得出的結(jié)論是：在40 GHz下，超低輪廓度銅箔的損耗約為-0.9 dB，而幾種納米尺度銅箔的損耗接近于0 dB。

上述納米粗化銅箔通過微觀錨固技術(shù)可以獲得良好的附著力，然而，為了用平坦表面的銅箔制造可靠的高密度集成電路布線，在銅和絕緣層之間還需要新的粘合技術(shù)。日立公司開發(fā)出一種新的無輪廓銅箔，表面粗糙度Rz＜1.5 μm，通過微觀錨固技術(shù)可獲得更高的粘合強(qiáng)度。該技術(shù)通過對無輪廓箔片的粘合側(cè)進(jìn)行適當(dāng)微觀處理，獲得與常規(guī)粗糙化箔片相當(dāng)?shù)膭冸x強(qiáng)度（0.8 N/mm以上）[14]。

利用對低粗糙度銅箔表面進(jìn)行處理來獲得較高的剝離強(qiáng)度的做法也是目前國內(nèi)的研究熱點(diǎn)，WANG等[15]為了使銅箔表面平滑地粘合到預(yù)浸料上，開發(fā)了一種新的表面化學(xué)處理方法，可以實(shí)現(xiàn)銅箔與半固化片界面的微觀物理互鎖。處理后樣品的剝離強(qiáng)度更高，可達(dá)0.89 N/mm。這種表面處理方法主要就是在銅箔表面鍍一層厚度約為250 nm的錫層，經(jīng)測定證實(shí)剝離強(qiáng)度的提高主要是錫的氧化物起了作用。

在生產(chǎn)低頻使用的CCL時，優(yōu)先追求較高的抗剝離強(qiáng)度，即要求銅箔毛面的粗糙度更大，粗化后粗化層更大，因?yàn)榈皖l時趨膚效應(yīng)不明顯，即使銅箔表面粗糙度較大也不會造成較大的損失。但在生產(chǎn)高頻使用的CCL時，既要保證銅箔的粗糙度較小且有足夠的抗剝離強(qiáng)度,又要在生產(chǎn)銅箔時控制銅箔的表面粗糙度，在銅箔的表面處理時需要提高其與樹脂基體的結(jié)合力。處理方法包括銅箔表面的納米化、建立過渡連接層以及硅烷偶聯(lián)劑的使用。

(1) 灌漿材料中的塊狀渣體含量對化學(xué)灌漿固結(jié)效果影響明顯，塊狀渣體占比越高(由5%提高至10%)，其孔隙率相對增大，漿液擴(kuò)散越容易，固結(jié)強(qiáng)度越高。

4 介質(zhì)損耗

4.1 介質(zhì)損耗產(chǎn)生的原因

理想的絕緣介質(zhì)是不存在的。介質(zhì)分子根據(jù)其中被束縛的帶電粒子的分布特征分為無極分子和有極分子，無極分子中正、負(fù)電荷中心重合，相互抵消；有極分子中正、負(fù)電荷中心不重合，會構(gòu)成一個電偶極矩。外加電場會使帶電粒子產(chǎn)生微觀位移，使介質(zhì)中的偶極子隨電場方向規(guī)則排列，稱為介質(zhì)極化，極化過程會消耗能量造成介質(zhì)損耗。介質(zhì)損耗與信號頻率、介電常數(shù)及損耗正切值有關(guān)，可用式（5）表示：

其中αD為介質(zhì)損耗，k表示常數(shù)，f表示信號頻率，εr表示介質(zhì)相對介電常數(shù)（Dielectric Constant，Dk），tan δ表示介質(zhì)損耗正切值，也稱介質(zhì)損耗因子（Dielectric Factor，Df）。

介質(zhì)中信號傳播速度如式（6）所示：

其中K表示常數(shù)，c表示光速，εr表示介質(zhì)相對介電常數(shù)。

從式（5）和（6）可以看出，CCL中的信號傳播速度與εr（即Dk）的平方根成反比；信號傳播損耗αD與頻率f、Df和Dk的平方根成正比。因此，為了獲得更低的介質(zhì)損耗和更快的信號傳播速度，需要介質(zhì)有更低和更穩(wěn)定的相對介電常數(shù)和損耗因子。這就是為何常規(guī)環(huán)氧樹脂基CCL難以滿足高頻高速通信在信號損耗方面的控制要求。引入雙環(huán)戊二烯基團(tuán)能有效改善環(huán)氧樹脂的介電性能，但由于羥基的存在，此類改性環(huán)氧樹脂的極性仍然較大，導(dǎo)致其不能達(dá)到超低損耗的要求[16]。

祝大同[17]在2015年中國電子材料行業(yè)協(xié)會覆銅板材料分會技術(shù)論壇上的報告中討論了高速CCL等級劃分的量化指標(biāo)，提出按損耗因子將高速基板材料劃分為5類（等級），即所能達(dá)到低傳輸損耗的5個等級，高速基板分類如表1所示。

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4.2 高頻覆銅板用基板材料

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相對介電常數(shù)，通常為2～3，同時介電損耗也較小。表2為常見基板材料的相對介電常數(shù)與介質(zhì)損耗因子[18]。下面重點(diǎn)介紹聚四氟乙烯（PTFE）和聚苯醚改性研究進(jìn)展。

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PTFE分子鏈上的氟原子完全對稱分布，偶極矩幾乎為零，絕緣性能優(yōu)異。體電阻可達(dá)1015Ω·m以上，相對介電常數(shù)在1.8～2.2之間。且介質(zhì)損耗角小，達(dá)10-4數(shù)量級，同時介電常數(shù)和介質(zhì)損耗角在1010Hz內(nèi)不隨頻率和溫度的變化而變化。由于其優(yōu)異的電氣性能，使其成為高頻電路板優(yōu)選基材之一[19]。

PTFE用于高頻電路板也存在不足，表現(xiàn)在Z軸膨脹系數(shù)大和表面能較低。表面能較低使基板與銅箔的粘結(jié)性較差，尤其是在為了追求高速板極低的導(dǎo)體損失而大幅降低銅箔粗糙度時，粘結(jié)強(qiáng)度會大幅下降。Z軸膨脹系數(shù)與銅箔差異較大，使得受熱后銅箔易脫離，集成電路板上插孔內(nèi)金屬引腳可能拉斷。上述不足制約了PTFE在高速板領(lǐng)域的應(yīng)用。

為了擴(kuò)大PTFE的應(yīng)用，需要對其進(jìn)行改性。改性研究目前聚焦在3個方向：表面改性、填充改性以及共混改性[20]。

表面改性主要是通過化學(xué)處理、離子注入、等離子改性等方式使其表面活化，提高浸潤性來改善粘結(jié)性能。李榮等[21]通過低溫等離子體技術(shù)將PTFE薄膜與丙烯酸接枝聚合。與原始PTFE膜相比，由于丙烯酸接枝鏈的存在有效改善了PTFE膜的親水性，從而有效地增強(qiáng)了PTFE膜表面與其他材料之間的相容性。

填充改性主要是在PTFE中添加有機(jī)或無機(jī)填料，以降低其膨脹系數(shù)和成本。常用的有二氧化硅、二氧化鈦等，為了增強(qiáng)PTFE的力學(xué)性能，也會使用短玻璃纖維與陶瓷粉進(jìn)行復(fù)合填充[22-23]。

共混改性主要是利用聚四氟乙丙烯與PTFE進(jìn)行共混，可增強(qiáng)CCL剝離強(qiáng)度。張勇等[24]研究了PTFE中聚四氟乙丙烯乳液比例對CCL性能的影響，發(fā)現(xiàn)銅箔的剝離強(qiáng)度隨著聚四氟乙丙烯的乳液含量增大而增大[25]。

4.2.2 聚苯醚（PPE）改性研究

PPE是一種耐高溫的熱塑性樹脂，分子鏈中不含強(qiáng)極性基團(tuán)，介電損耗小且穩(wěn)定，較適合作為高頻CCL的基體樹脂。聚苯醚的改性是圍繞著將聚苯醚的熱塑性變?yōu)闊峁绦哉归_的，主要有兩種思路：共混改性與互穿網(wǎng)格技術(shù)，一是通過引入一些熱固性樹脂進(jìn)行改性，另一個是通過引入一些活性基團(tuán)，使之能發(fā)生交聯(lián)而成為熱固性樹脂[6]。

GUO[26]等通過將活性烯丙基引入PPE，再加入苯乙烯-乙烯/丁烯-苯乙烯（SEBS）共聚物，利用SEBS出色的介電性能以及與PPE的高相容性作為增韌劑，當(dāng)重量比為5∶1時，可得到高玻璃化溫度和較高彎曲強(qiáng)度的改性產(chǎn)品。

MENG等[27]研究了聚苯醚與溴化環(huán)氧樹脂共混制備高性能CCL，為了增強(qiáng)樹脂間的相容性，向反應(yīng)體系中加入了相容劑，制備出的產(chǎn)品玻璃化溫度達(dá)204℃，介電常數(shù)為3.2，各方面性能要好于普通FR-4 CCL。

5 輻射損耗與泄露損耗

輻射損耗是指電路向周圍環(huán)境輻射的耗散能。輻射損耗大小取決于電路設(shè)計，并與布線方式密切相關(guān)。輻射損耗還與頻率、介電常數(shù)（Dk）和基板厚度有關(guān)。低速低頻下輻射損耗可忽略不計，但在高速高頻下，尤其是電路進(jìn)入毫米波時，輻射損耗則不可忽略。Rogers公司的JOHN[28]深入研究了輻射損耗與布線的關(guān)系。3種不同的PCB布線方式如圖2所示。

圖2 3種常見的PCB結(jié)構(gòu)[28]

微帶線配置通常作為多層PCB電路的外層。帶狀線配置較微帶配置產(chǎn)生的輻射損耗更小。微帶和共面電路易產(chǎn)生輻射損耗是由于傳輸線的電磁場不完全存在于介質(zhì)中，有一部分在空氣中。而帶狀天線的電磁場則完全在介質(zhì)中。輻射損耗可以用式（7）和（8）表示。

其中αr、h、λ0和εeff分別代表輻射損耗、基板的厚度、信號的波長和相對介電常數(shù)[28]。

從式（7）中可以看出輻射損耗與電路厚度的關(guān)系密切。較厚的電路將可能存在更多的輻射損耗。式（7）中αr與λ0的平方成反比，即在更高頻率下的應(yīng)用會增加輻射損耗。從式（8）可以看出，在所有其他因素不變的情況下，使用具有高介電常數(shù)基板的電路將比使用低介電常數(shù)基板的電路具有更少的輻射損耗。但較高的DK會使介質(zhì)損耗增加。因此解決高頻電路下輻射損耗較大的問題通常采用薄化基板的方案，而不會采用較高介電常數(shù)基板的方案。

泄露損耗是指PCB板形成微弱的接地電流而產(chǎn)生的損耗，但PCB板的體電阻都很大，干燥環(huán)境中，一般不會產(chǎn)生接地電流，所以泄露損耗可以忽略。

6 總結(jié)

對于高頻CCL，銅箔的粗糙度對導(dǎo)體損耗有較大影響，需盡量減小粗糙度，同時需要使用表面納米化處理或引入過渡層等方式解決剝離強(qiáng)度下降的問題。

介質(zhì)損耗主要是由于樹脂中的極性基團(tuán)在電場作用下產(chǎn)生微觀位移而導(dǎo)致的能量消耗和信號損失。文中給出了3種改性方案，使基板材料不含強(qiáng)極性基團(tuán)。

高頻狀態(tài)下，輻射損耗會被放大，首先不同的電路設(shè)計的輻射損耗是不同的，一般帶狀線不會產(chǎn)生輻射損耗。理論上可以通過降低基板厚度和提高介電常數(shù)解決。但提高介電常數(shù)會使介質(zhì)損耗增大，那么在保證強(qiáng)度和韌性的前提下，最大限度降低覆銅板厚度可能會成為高頻覆銅板的潛在研究方向。