高速高频PCB板材介绍
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高频高速PCB材料的介绍
Dept.： EE Name：Peng Zhou Date ： 2013-10-21
PCB结构
防焊油墨
胶片（PP） 铜箔 基板
高频高速材料的要求
低介质常数(Low Dk) 降低介质常数可提升信号传输速度 Propagation delay = 84.6 x (εeff)1/2 低散逸（散失）因子 (Low Df) 信号随着频率增加，强度的损失也会随之增加，因此 高頻高速通讯多采用低散逸因子材料來设计制作 Signal loss = 27.3 x (f/c) x (εeff)1/2 x tanδ 导体表面粗糙度 信号频率越高，趋肤效应(Skin effect)越明显，因此信 号传输导体表面越平坦越好 εeff : 介质常数(effective dielectric constant) tanδ : 散逸因子 (dissipation factor) f : 频率(frequency) c : 光速 (light speed)
铜箔 反面处理铜箔（RTF：Reverse treated copper foil） 基板铜箔之光面朝内毛面朝外，其意义主要有：
• • • • • • • • • 改善良品率： 减少短路：由于其黏着表面菱线非常低，蚀刻时不会有残铜发生； 减少断路：由于干膜可以黏着的相当强固，所以断路之缺陷可以减 至最低； 缩短制程： 速度提升：蚀刻速度较快，棕黑化处理较迅速； 无需微蚀； 线路可靠性： 线间及层间具有较好的绝缘功能； 具有高的蚀刻因子；
铜箔 按制作工艺可分为 电解铜箔（Electrodeposited copper foil ） 利用各种废弃之电线电缆熔解成硫酸铜镀液，在殊 特深入地下的大型镀槽中，阴阳极距非常短,以非常高的 速度冲动镀液，以600ASF之高电流密度，将柱状 (Columnar) 结晶的铜层镀在表面非常光滑又经钝化的不 锈钢大桶状之转胴轮上(Drum)，因钝化处理过的不锈钢 胴轮上对铜层之附着力并不好，故镀面可自转轮上撕下， 如此所镀得的连续铜层,可由转轮速度，电流密度而得不 同厚度之铜箔，贴在转胴之光滑铜箔表面称为光面 (Drum side), 另一面对镀液之粗糙结晶表面称为毛面 (Matte side)。析出之铜箔再经瘤化处理（增加表面积）， 耐热层处理（隔绝胺类引发之爆板）及抗氧化处理（防 锈防污）即制成商品化之电解铜箔。
合格低 Dk、低 Df 材料 FR4
材料 厂商 Tg (℃)/DSC Dk (10GHz) Df (10GHz) FR408 ISOLA 180 3.77 0.0119 FR408HR ISOLA 185 3.76 0.0089 IS415 ISOLA 190 3.82 0.0131 IT180I 聯茂 175 4.00 0.015 IT170GR 聯茂 180 4.10 0.013 TU862HF 台耀 165 4.40 0.015 EM285 台光 150 4.20 0.015
铜箔 双面处理铜箔（DST：double-side treatment copper foil） 两面处理(Double treatment)指光面及粗面皆做粗化处 理，严格来说，此法的应用己有20年的历史，但今日为降 低多层板的COST而使用者渐多．在光面也进行上述的传 统处理方式，如此应用于内层基板上，可以省掉压膜前的 铜面理处理以及黑/棕化步骤。美国一家Polyclad铜箔基板 公司，发展出来的一种处理方式，称为DST 铜箔，其处理 方式有异曲同工之妙。该法是在光面做粗化处理，该面就 压在胶片上，所做成基板的铜面为粗面，因此对后制亦有 帮助。
散逸因子 : Df 对交流电在功能上损失的一种度量 绝缘材料 (树脂) 的一种特性 与所见到的电功损失成正比 与周期频率（f），电位梯度的平方（E2），及单 位体积成反比 其数学关系为
Dissipation
Power loss Factor= （E2）*（f）*（Volume ×Constant）
铜箔 高温延伸性铜箔（HTE：High temperature elongation electrodeposited）; 多层印制电路板在压合时的热量会使铜箔发生再结晶 现象，故需铜箔在高温（180℃）下仍保持常温时的 稳定性。其特点主要表现在：尺寸稳定性，高柔韧性， 多用于FR-4材质的多层板中。
0.5oz+plating CORE 0.5oz PP 0.5oz CORE 0.5oz PP 0.5oz CORE 0.5oz+plating
PP和core的层叠
四层板层叠： 1.Foil+PP+Core+PP+Foil 2.Core+PP+Core
0.5oz（FOIL） PP 0.5oz CORE 0.5oz PP 0.5oz(FOIL)
介质常数: Dk or Er (ε)
每 “单位体积” 的绝缘物质，在每一单位之 “电位梯度” 下所能储蓄 “静电能量”（Electrostatic Energy）的多少 。 此词还另有同义字 ”透电率” 绝缘材料的 “介质常数”（或透电率）要越小越好 目前各板材中以铁氟龙（PTFE），在1MHZ频率下介质常数的 2.5最好，FR-4约为4.7 电路板可视为一电容装置，导线中有信号传输时，会有部分能 量被电路板蓄积，造成传输上的延迟，频率越高延迟越明显
导体表面粗糙度 导体表面粗糙度
导体表面粗糙度形貌对电阻发热，造成信号能量的损失， 即為导体损耗 频率越高，波长越短，信号在导体间行进，将只集中在 导体的表面，即所謂”肌肤效应”(Skin effect) 导体表面粗糙度越平坦对信号传输越有利 层间的接着强度，受导体表面粗糙度影响 导体表面粗糙度越高，树脂与导体接著面积越大，接著 強度也隨之越高
特殊材料
材料 廠商 樹脂種類 Dk (10GHz) Df (10GHz) RO4350B Rogers 陶瓷 3.48 0.0037 RO3003 Rogers PTFE 3.00 0.0013 TLY5A Taconic PTFE 2.17 0.0009 RF-30 Taconic PTFE 3.00 0.0014 RF-35A Taconic PTFE 3.50 0.0025 25N Arlon PTFE 3.38 0.0025 AD350A Arlon PTFE 3.50 0.0030
铜箔 压延铜箔（rolled-wrought copper foil）： 先由铜矿石提炼出粗铜。然后经过熔炼加工、电解 提纯使它的纯度达到99.9%。并制成约2mm厚的铜锭。 以它作为母材，再经酸洗、去油，反复多次在800℃以上 高温度下进行热辊轧、压延（长方向的）加工。AN-W 型 压延铜箔在此加工之后，进行高温退火，达到再结晶软 化，再进行冷压延。如此加工反复进行至到其要求的厚 度。而LTA-W型压延铜箔在高温辊压、压延加工之后，只 进行冷压延加工。当以上两类压延铜箔制成为厚度小于 0.1mm的生箔后，再在它的表面进行粗化处理、耐热层 处理、防氧化处理等一系列的表面处理。
3/8 oz 或稱為 12 micron 1/4 oz 或稱為 9 micron 1/8 oz 或稱為 5 micron
PP是如何制作的 PP是“Prepreg”的简写，而 “Prepreg”则是“preimpregnated” varnish 的缩写 。 以环氧树脂为例，液态的resin添 加桥架剂(硬化剂)、加速剂、溶剂， 有时还加入填充剂(filler)后叫做清 漆或凡立水(Varnish)或A-stage树 脂 。加入填充剂主要是为了改善 resin的阻燃效果，同时也可调整 其Tg。玻璃纤维丝或其他纤维丝 Resin 桥架剂 加速剂 溶剂 浸含A-stage树脂并经部分热聚合 后成PP(B-stage树脂：固态)
铜箔 电解铜箔 VS 压延铜箔： 电解铜箔： 优点：價格便宜；可有各種尺寸與厚度； 缺點：延展性差； 應力極高無法撓曲又很容易折斷； 壓延铜箔： 優點：延展性Ductility高，對FPC使用於動態環境下，信 賴度極佳； 低的表面稜線Low-profile Surface，對於一些 Microwave電子應用是很有利； 缺點：和基材的附著力不好； 成本較高； 因技術問題,寬 度受限。
additive
PP和core的层叠
六层板层叠： 1.Foil+PP+Core+PP+Core+PP+Foil
0.5oz+plating（Foil） PP 0.5oz CORE 0.5oz PP 0.5oz CORE 0.5oz PP 0.5oz+plating（Foil）
2.Core+PP+Core+PP+Core
铜箔 按铜箔性能可分为： 高温延伸性铜箔（HTE：High temperature elongation electrodeposited）; 反面处理铜箔（RTF：Reverse treated copper foil） ; 双面处理铜箔（DST：double-side treatment copper foil）; 超低菱线铜箔（VLP：Very low profile copper foil） ; 超薄铜箔（UTF：Ultra thin copper foil） ; 标准电解铜箔 （STD）；
铜箔 超薄铜箔（UTF：Ultra thin copper foil）
一般所说的薄铜箔是指 0.5 oz (17.5 micron ) 以下，下表三种厚度则 称超薄铜箔 ，3/8 oz 以下因本身太薄很不容易操作故需要另加载体 (Carrier)才能做各种操作(称复合式copper foil)，否则很容易造成损 伤。所用之载体有两类，一类是以传统 ED 铜箔为载体，厚约2.1 mil。另一类载体是铝箔，厚度约3 mil。两者使用之前须将载体撕离。 超薄铜箔最不易克服的问题就是 “针孔”或 “疏孔”(Porosity)，因厚度 太薄，电镀时无法将疏孔完全填满。补救之道是降低电流密度，让 结晶变细。细线路，尤其是5 mil以下更需要超薄铜箔，以减少蚀刻 时的过蚀与侧蚀。
改善方向
反转铜箔（RTF）的开发即因应此需求而产生 近年來反转铜箔的技術日趋成熟
铜箔基板结构 銅箔
銅箔 玻璃纖維布 樹脂 影响铜箔基板综合 Dk 之因素
树脂 (环氧树脂Dk : 3 ~ 4) 玻璃纤维布(Dk : 6 ~ 7) 树脂重量比率 (Prepreg : 含胶量 RC%)
0.5oz+plating CORE 0.5oz PP 0.5oz CORE 0.5oz+plating
附图
图1 七代PCB技术的发展路线图
附图
图2 PCB技术未来发展的路线图
铜箔 超低菱线铜箔（VLP：Very low profile copper foil） 硅化处理(Low profile) 传统铜箔粗面处理其Tooth Profile (棱线)粗糙度(波峰波谷)，不利于细线路的制造 (影响just etch时间,造成over-etch)，因此必须设法降低 棱线的高度。上述Polyclad的DST铜箔，以光面亦做处 理，改善了这个问题， 另外，一种叫“有机硅处理” （Organic Silane Treatment），加入传统处理方式之后， 亦可有此效果。它同时产生一种化学键，对于附着力有 帮助。
Dept.： EE Name：Peng Zhou Date ： 2013-10-21
PCB结构
防焊油墨
胶片（PP） 铜箔 基板
高频高速材料的要求
低介质常数(Low Dk) 降低介质常数可提升信号传输速度 Propagation delay = 84.6 x (εeff)1/2 低散逸（散失）因子 (Low Df) 信号随着频率增加，强度的损失也会随之增加，因此 高頻高速通讯多采用低散逸因子材料來设计制作 Signal loss = 27.3 x (f/c) x (εeff)1/2 x tanδ 导体表面粗糙度 信号频率越高，趋肤效应(Skin effect)越明显，因此信 号传输导体表面越平坦越好 εeff : 介质常数(effective dielectric constant) tanδ : 散逸因子 (dissipation factor) f : 频率(frequency) c : 光速 (light speed)
铜箔 反面处理铜箔（RTF：Reverse treated copper foil） 基板铜箔之光面朝内毛面朝外，其意义主要有：
• • • • • • • • • 改善良品率： 减少短路：由于其黏着表面菱线非常低，蚀刻时不会有残铜发生； 减少断路：由于干膜可以黏着的相当强固，所以断路之缺陷可以减 至最低； 缩短制程： 速度提升：蚀刻速度较快，棕黑化处理较迅速； 无需微蚀； 线路可靠性： 线间及层间具有较好的绝缘功能； 具有高的蚀刻因子；
铜箔 按制作工艺可分为 电解铜箔（Electrodeposited copper foil ） 利用各种废弃之电线电缆熔解成硫酸铜镀液，在殊 特深入地下的大型镀槽中，阴阳极距非常短,以非常高的 速度冲动镀液，以600ASF之高电流密度，将柱状 (Columnar) 结晶的铜层镀在表面非常光滑又经钝化的不 锈钢大桶状之转胴轮上(Drum)，因钝化处理过的不锈钢 胴轮上对铜层之附着力并不好，故镀面可自转轮上撕下， 如此所镀得的连续铜层,可由转轮速度，电流密度而得不 同厚度之铜箔，贴在转胴之光滑铜箔表面称为光面 (Drum side), 另一面对镀液之粗糙结晶表面称为毛面 (Matte side)。析出之铜箔再经瘤化处理（增加表面积）， 耐热层处理（隔绝胺类引发之爆板）及抗氧化处理（防 锈防污）即制成商品化之电解铜箔。
合格低 Dk、低 Df 材料 FR4
材料 厂商 Tg (℃)/DSC Dk (10GHz) Df (10GHz) FR408 ISOLA 180 3.77 0.0119 FR408HR ISOLA 185 3.76 0.0089 IS415 ISOLA 190 3.82 0.0131 IT180I 聯茂 175 4.00 0.015 IT170GR 聯茂 180 4.10 0.013 TU862HF 台耀 165 4.40 0.015 EM285 台光 150 4.20 0.015
铜箔 双面处理铜箔（DST：double-side treatment copper foil） 两面处理(Double treatment)指光面及粗面皆做粗化处 理，严格来说，此法的应用己有20年的历史，但今日为降 低多层板的COST而使用者渐多．在光面也进行上述的传 统处理方式，如此应用于内层基板上，可以省掉压膜前的 铜面理处理以及黑/棕化步骤。美国一家Polyclad铜箔基板 公司，发展出来的一种处理方式，称为DST 铜箔，其处理 方式有异曲同工之妙。该法是在光面做粗化处理，该面就 压在胶片上，所做成基板的铜面为粗面，因此对后制亦有 帮助。
散逸因子 : Df 对交流电在功能上损失的一种度量 绝缘材料 (树脂) 的一种特性 与所见到的电功损失成正比 与周期频率（f），电位梯度的平方（E2），及单 位体积成反比 其数学关系为
Dissipation
Power loss Factor= （E2）*（f）*（Volume ×Constant）
铜箔 高温延伸性铜箔（HTE：High temperature elongation electrodeposited）; 多层印制电路板在压合时的热量会使铜箔发生再结晶 现象，故需铜箔在高温（180℃）下仍保持常温时的 稳定性。其特点主要表现在：尺寸稳定性，高柔韧性， 多用于FR-4材质的多层板中。
0.5oz+plating CORE 0.5oz PP 0.5oz CORE 0.5oz PP 0.5oz CORE 0.5oz+plating
PP和core的层叠
四层板层叠： 1.Foil+PP+Core+PP+Foil 2.Core+PP+Core
0.5oz（FOIL） PP 0.5oz CORE 0.5oz PP 0.5oz(FOIL)
介质常数: Dk or Er (ε)
每 “单位体积” 的绝缘物质，在每一单位之 “电位梯度” 下所能储蓄 “静电能量”（Electrostatic Energy）的多少 。 此词还另有同义字 ”透电率” 绝缘材料的 “介质常数”（或透电率）要越小越好 目前各板材中以铁氟龙（PTFE），在1MHZ频率下介质常数的 2.5最好，FR-4约为4.7 电路板可视为一电容装置，导线中有信号传输时，会有部分能 量被电路板蓄积，造成传输上的延迟，频率越高延迟越明显
导体表面粗糙度 导体表面粗糙度
导体表面粗糙度形貌对电阻发热，造成信号能量的损失， 即為导体损耗 频率越高，波长越短，信号在导体间行进，将只集中在 导体的表面，即所謂”肌肤效应”(Skin effect) 导体表面粗糙度越平坦对信号传输越有利 层间的接着强度，受导体表面粗糙度影响 导体表面粗糙度越高，树脂与导体接著面积越大，接著 強度也隨之越高
特殊材料
材料 廠商 樹脂種類 Dk (10GHz) Df (10GHz) RO4350B Rogers 陶瓷 3.48 0.0037 RO3003 Rogers PTFE 3.00 0.0013 TLY5A Taconic PTFE 2.17 0.0009 RF-30 Taconic PTFE 3.00 0.0014 RF-35A Taconic PTFE 3.50 0.0025 25N Arlon PTFE 3.38 0.0025 AD350A Arlon PTFE 3.50 0.0030
铜箔 压延铜箔（rolled-wrought copper foil）： 先由铜矿石提炼出粗铜。然后经过熔炼加工、电解 提纯使它的纯度达到99.9%。并制成约2mm厚的铜锭。 以它作为母材，再经酸洗、去油，反复多次在800℃以上 高温度下进行热辊轧、压延（长方向的）加工。AN-W 型 压延铜箔在此加工之后，进行高温退火，达到再结晶软 化，再进行冷压延。如此加工反复进行至到其要求的厚 度。而LTA-W型压延铜箔在高温辊压、压延加工之后，只 进行冷压延加工。当以上两类压延铜箔制成为厚度小于 0.1mm的生箔后，再在它的表面进行粗化处理、耐热层 处理、防氧化处理等一系列的表面处理。
3/8 oz 或稱為 12 micron 1/4 oz 或稱為 9 micron 1/8 oz 或稱為 5 micron
PP是如何制作的 PP是“Prepreg”的简写，而 “Prepreg”则是“preimpregnated” varnish 的缩写 。 以环氧树脂为例，液态的resin添 加桥架剂(硬化剂)、加速剂、溶剂， 有时还加入填充剂(filler)后叫做清 漆或凡立水(Varnish)或A-stage树 脂 。加入填充剂主要是为了改善 resin的阻燃效果，同时也可调整 其Tg。玻璃纤维丝或其他纤维丝 Resin 桥架剂 加速剂 溶剂 浸含A-stage树脂并经部分热聚合 后成PP(B-stage树脂：固态)
铜箔 电解铜箔 VS 压延铜箔： 电解铜箔： 优点：價格便宜；可有各種尺寸與厚度； 缺點：延展性差； 應力極高無法撓曲又很容易折斷； 壓延铜箔： 優點：延展性Ductility高，對FPC使用於動態環境下，信 賴度極佳； 低的表面稜線Low-profile Surface，對於一些 Microwave電子應用是很有利； 缺點：和基材的附著力不好； 成本較高； 因技術問題,寬 度受限。
additive
PP和core的层叠
六层板层叠： 1.Foil+PP+Core+PP+Core+PP+Foil
0.5oz+plating（Foil） PP 0.5oz CORE 0.5oz PP 0.5oz CORE 0.5oz PP 0.5oz+plating（Foil）
2.Core+PP+Core+PP+Core
铜箔 按铜箔性能可分为： 高温延伸性铜箔（HTE：High temperature elongation electrodeposited）; 反面处理铜箔（RTF：Reverse treated copper foil） ; 双面处理铜箔（DST：double-side treatment copper foil）; 超低菱线铜箔（VLP：Very low profile copper foil） ; 超薄铜箔（UTF：Ultra thin copper foil） ; 标准电解铜箔 （STD）；
铜箔 超薄铜箔（UTF：Ultra thin copper foil）
一般所说的薄铜箔是指 0.5 oz (17.5 micron ) 以下，下表三种厚度则 称超薄铜箔 ，3/8 oz 以下因本身太薄很不容易操作故需要另加载体 (Carrier)才能做各种操作(称复合式copper foil)，否则很容易造成损 伤。所用之载体有两类，一类是以传统 ED 铜箔为载体，厚约2.1 mil。另一类载体是铝箔，厚度约3 mil。两者使用之前须将载体撕离。 超薄铜箔最不易克服的问题就是 “针孔”或 “疏孔”(Porosity)，因厚度 太薄，电镀时无法将疏孔完全填满。补救之道是降低电流密度，让 结晶变细。细线路，尤其是5 mil以下更需要超薄铜箔，以减少蚀刻 时的过蚀与侧蚀。
改善方向
反转铜箔（RTF）的开发即因应此需求而产生 近年來反转铜箔的技術日趋成熟
铜箔基板结构 銅箔
銅箔 玻璃纖維布 樹脂 影响铜箔基板综合 Dk 之因素
树脂 (环氧树脂Dk : 3 ~ 4) 玻璃纤维布(Dk : 6 ~ 7) 树脂重量比率 (Prepreg : 含胶量 RC%)
0.5oz+plating CORE 0.5oz PP 0.5oz CORE 0.5oz+plating
附图
图1 七代PCB技术的发展路线图
附图
图2 PCB技术未来发展的路线图
铜箔 超低菱线铜箔（VLP：Very low profile copper foil） 硅化处理(Low profile) 传统铜箔粗面处理其Tooth Profile (棱线)粗糙度(波峰波谷)，不利于细线路的制造 (影响just etch时间,造成over-etch)，因此必须设法降低 棱线的高度。上述Polyclad的DST铜箔，以光面亦做处 理，改善了这个问题， 另外，一种叫“有机硅处理” （Organic Silane Treatment），加入传统处理方式之后， 亦可有此效果。它同时产生一种化学键，对于附着力有 帮助。