新一代服務(wù)器平臺用無鹵甚低損耗覆銅板的研制

何烈相 劉 洋 吳彥兵

（廣東生益科技股份有限公司，廣東 東莞 523808）

全球正在經(jīng)歷新一代信息技術(shù)革命，隨著5G、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)和人工智能等技術(shù)應(yīng)用加快，數(shù)字經(jīng)濟(jì)蓬勃發(fā)展，在數(shù)據(jù)流量處于高速增長階段的情況下，如果數(shù)據(jù)傳輸效率不提升，則會造成擁堵。國際一線大廠如Google、Facebook、Amazon以及國內(nèi)的互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)商（ISP），如百度、阿里、騰訊、新浪等都在積極的建設(shè)數(shù)據(jù)中心，應(yīng)對未來持續(xù)成長的龐大云端服務(wù)需求。因此需要大量基礎(chǔ)設(shè)施的支撐，服務(wù)器就是其中重要的核心設(shè)備之一。

隨著以Intel芯片為主導(dǎo)的服務(wù)器產(chǎn)品成為發(fā)展趨勢，服務(wù)器平臺升級將帶動整個服務(wù)器行業(yè)進(jìn)入上行周期，而印制電路板（PCB）以及其關(guān)鍵原材料覆銅板（CCL）作為承載服務(wù)器內(nèi)各種走線的關(guān)鍵基材，除了服務(wù)器周期帶來的量增邏輯，同時(shí)還存在服務(wù)器平臺升級帶來的價(jià)增邏輯。

新一代服務(wù)器平臺以Eagle Stream服務(wù)器平臺為例，屆時(shí)主要端口的傳輸速率將會由現(xiàn)在Whitley平臺的16 Gbps上升到32 Gbps，Intel也提出了對應(yīng)的基材電路傳輸?shù)牟迦霌p耗（IL：Insertion Loss）要求（見表1所示），IL<-0.96 dB/in@16 GHz。

表1 Eagle Stream服務(wù)器平臺對插入損耗要求表

為了滿足Eagle Stream服務(wù)器平臺甚低插入損耗的要求，覆銅板業(yè)界的主流是選擇聚苯醚（PPO）樹脂作為技術(shù)路線，但PPO成本高，供應(yīng)來源單一，而另外一條雙馬來酰亞胺（BMI）樹脂路線存在PCB加工過程鉆刀磨損大問題，本文重點(diǎn)介紹了一款特殊環(huán)氧樹脂固化體系，搭配第三代反轉(zhuǎn)箔（RTF）銅箔而開發(fā)的甚低（Very low loss）級別高速領(lǐng)域的覆銅板（Synamic6GX），介紹其關(guān)鍵性能、電性能、可靠性等，該板材可以滿足下一代Eagle Stream服務(wù)器產(chǎn)品的應(yīng)用需求。

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 主要原材料

特殊環(huán)氧樹脂、改性樹脂、固化劑、填料、阻燃劑、溶劑、玻纖布、銅箔等。

2.2 覆銅板的制作

根據(jù)設(shè)計(jì)好的實(shí)驗(yàn)配方，稱取一定量環(huán)氧樹脂、改性樹脂、固化劑、阻燃劑和溶劑共混攪拌制得均勻膠液；調(diào)整好上膠機(jī)夾軸間隙、轉(zhuǎn)速，使用E-玻纖布作為增強(qiáng)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，烘成半固化黏結(jié)片。然后將制得的黏結(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(jī)中壓制成覆銅板。

2.3 覆銅板性能測試

參照IPC標(biāo)準(zhǔn)及生益科技企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的檢測方法，對由上述制成的覆銅板進(jìn)行性能測試，主要測試項(xiàng)目及儀器如下。

（1）玻璃化轉(zhuǎn)變溫度Tg：差示掃描量熱儀（DSC），升溫速率20 ℃/min，氮?dú)獗Ｗo(hù)；

（2）熱分解溫度Td：熱重分析法（TGA）；

（3）Z-CTE及熱分層時(shí)間T300：熱機(jī)械分析法（TMA）；

（4）介電常數(shù)與介質(zhì)損耗因子：帶狀線法（10 GHz）、平板電容法（1 GHz）；

（5）層間結(jié)合力：剝離強(qiáng)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(qiáng)度：剝離強(qiáng)度測試儀，按IPC-TM-650方法；

（8）燃燒性：燃燒試驗(yàn)箱（UL94）。

2.4 PCB性能測試

（1）帶狀線損耗：Delta-L測試方法（網(wǎng)絡(luò)分析儀）；

（2）多層板耐熱性：切片分析（光學(xué)顯微鏡）；

（3）CAF（耐離子遷移）性能：溫度85 ℃，濕度85%，電壓50 V（絕緣電阻在線測試系統(tǒng)）。

3 結(jié)果與討論

3.1 覆銅板基本性能

研制的高耐熱性、低傳輸損耗的覆銅板（Synamic6GX）具有優(yōu)異的綜合性能，具體如表2所示。

表2 覆銅板（Synamic6 GX）基本性能表

3.2 覆銅板耐熱性分析

如圖1所示，開發(fā)品具有Tg（DSC）為174.5 ℃，可滿足PCB的無鹵高Tg要求。

圖1 覆銅板Tg測試曲線圖

如圖2所示，開發(fā)品具有Td（5%loss）高達(dá)400.5 ℃，可滿足PCB的無鉛焊接要求。

圖2 覆銅板Td（5% loss）測試曲線圖

如圖3所示，開發(fā)品具有較長的熱分層時(shí)間，T300大于60 min，說明板材具有優(yōu)異的耐熱性能，可滿足PCB加工中抗樹脂分層。

圖3 覆銅板T300（帶銅）測試曲線圖

如圖4所示，開發(fā)品具有較低的熱膨脹系數(shù):其中α1（50～130 ℃ CTE）：31.3×10-6/℃，α2（200～260 ℃ CTE）：202.7×10-6/℃，50～260 ℃的膨脹百分比：2.34%。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。

圖4 覆銅板Z-CTE測試曲線圖

3.3 PCB應(yīng)用研究

3.3.1 信號完整性（SI）性能

為實(shí)現(xiàn)較低Dk，最主要的手段是降低基材的Df性能，本配方體系經(jīng)過實(shí)驗(yàn)優(yōu)化，在10 GHz最低的Df可以達(dá)到0.0050，基本已經(jīng)是環(huán)氧樹脂體系Df極限值。

與此同時(shí)，隨著信號頻率的增大，高速信號在傳輸線的銅箔表面產(chǎn)生的“趨膚效應(yīng)”越來越顯著[1]，從而使導(dǎo)體損耗增加。按照傳統(tǒng)服務(wù)器搭配的普通RTF銅箔，帶狀線插入損耗無法滿足Eagle Stream服務(wù)器平臺的要求。故本文采用不同等級銅箔與板材搭配研究，以尋求成本較低，同時(shí)滿足SI電性能要求的方案。

銅箔影響材料電性能的因素有：粗糙度、比表面積、銅瘤顆粒大小、鍍層金屬元素等，其中粗糙度是非常重要的一項(xiàng)性能指標(biāo)，圖5為我們從銅箔粗糙度維度對銅箔進(jìn)行分級。

圖5 按粗糙度對銅箔分級

由表3可知，隨著銅箔粗糙度降低，材料的損耗越低，通過研究表明，Synamic6GX板材的0.10 mm芯板（core）和0.125 mm PP搭配RTF3等級銅箔，在16 GHz頻率下插入損耗為-0.89 dB/in，可以滿足Eagle Stream平臺的損耗要求，且其電性能表現(xiàn)與HVLP2基本相當(dāng)，但RTF3銅箔成本優(yōu)勢明顯。

表3 使用不同粗糙度銅箔的損耗性能表

本文發(fā)現(xiàn)RTF3的粗糙度相對RTF2只下降了0.2 μm，但損耗下降了5%。在使用電子顯微鏡觀察其截面形貌，發(fā)現(xiàn)RTF3銅箔采用了塊狀晶體結(jié)構(gòu)（如圖6所示），這與常規(guī)采用柱狀結(jié)晶結(jié)構(gòu)的RTF2銅箔（如圖7所示）是不同的。

圖6 塊狀結(jié)晶RTF3銅箔圖

圖7 柱狀結(jié)晶RTF2銅箔圖

電信號在銅箔內(nèi)傳輸時(shí)，會被晶界折射和反射而發(fā)生電信號損失，從這方面講塊狀結(jié)晶相比傳統(tǒng)的枝狀結(jié)晶優(yōu)勢明顯。針對Synamic6GX搭配不同的晶體結(jié)構(gòu)RTF3銅箔進(jìn)行損耗研究，表4的結(jié)果表明，RTF3銅箔使用塊狀結(jié)晶銅箔相對于柱狀結(jié)晶損耗降低1.5%。

表4 銅箔不同晶體結(jié)構(gòu)對損耗影響

3.3.2 多層板耐熱性

高多層PCB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的加工也有較大關(guān)系。在同等條件下，PCB層數(shù)越高，厚度越大，內(nèi)層銅厚度越厚，節(jié)距越小，對基材耐熱性要求更高[2]。本文采用新開發(fā)的覆銅板制作成26層3.8 mm厚度的高多層PCB，內(nèi)層含有4層70 μm（2 oz）厚銅，最小節(jié)距（pitch）0.6 mm BGA做5次無鉛回流處理。制作切片，使用光學(xué)顯微鏡對板材內(nèi)部形貌進(jìn)行觀察，結(jié)果無分層、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8所示。

圖8 26 L板5次無鉛回流處理后的切片圖

3.3.3 耐離子遷移性能

耐離子遷移性能以CAF為代表，圖9為CAF性能測試圖。模型為26 L多層板，內(nèi)含4層70 μm銅箔，測試條件為溫度85 ℃，濕度85%，電壓為50 V，從圖9可以看出，在經(jīng)過1000 h的測試后，最小0.6 mm節(jié)距的通道其電阻均在108 Ω以上，表明CAF性能良好。

圖9 26 L PCB的Anti-CAF測試

4 結(jié)論

本文研究開發(fā)了一款甚低損耗級別的覆銅板（Synamic6GX）及黏結(jié)片材料，該材料具有較高Tg、較高的耐熱性和耐CAF性，甚低的介質(zhì)損耗和插入損耗，可滿足新一代服務(wù)器平臺Eagle Stream服務(wù)器平臺對應(yīng)高多層PCB的耐熱性和信號完整性的需求。