高速高频化PCB主要特性与基板材料

【中国环氧网(中国环氧树脂行业在线)】2009年1月22日讯：在世界上高速高频化环氧树脂印刷线路板(PCB)，真正形成规模化的市场源于1999年。

美国电子电路互连与封装协会(IPC)的会长Thomas J.Dummrich对世界这一发展趋势，曾作过这样的评价：“1999年是全球PCB产业发展史上最具有戏剧性的一年，无论在全球市场结构上或在技术的演变上，都面临着重要的转变。

” 据中国环氧树脂行业协会()专家介绍，该会长提及的全世界环氧树脂印刷线路板(PCB)的“市场结构上或技术上”的重要转变，其一个重要的表现方面，就是高速化及高频化环氧树脂印刷线路板(PCB)市场的迅速兴起和发展。

2、发展高速化、高频化PCB已成为PCB业当前的重要工作
目前日本业在发展“差别化战略”中，把发展高速化、高频化环氧树脂印刷线路板(PCB)的制造技术，摆在相当重要的地位。

台湾也是这样：不少台湾的大型环氧树脂印刷线路板(PCB)生产厂家，近几年来重点发展这类环氧树脂印刷线路板(PCB)的制造技术。

例如，南亚电路板公司在高速化、高频化PCB的品种发展上作了很多的开发、研究工作。

所使用的低介电常数基板材料的数量，在近几年已攀升到世界的前几名的大厂(在2000年间，低ε的基板材料使用量，成为居世界第2位的厂家）。

对于高速化、高频化PCB的发展前景，南亚高层管理者报有十分乐观的态度。

他们预测这种高速化、高频化PCB产品的市场需求高峰出现的契机，可能会在2003年下半年。

在发展高速化、高频化环氧树脂印刷线路板(PCB)产业中，从它的产品设计，到选择基板材料、产品制作、产品检验都处处包含着新技术、新水平。

它的应用领域也提升到一个新的高档次产品方面。

因此中国环氧树脂行业协会()专家认为，高速化、高频化环氧树脂印刷线路板(PCB)产业，是带有高附加值的、具有“知识经济”产业。

发展高速化、高频化环氧树脂印刷线路板(PCB)产品，将给其带来新的商机、新的广阔的应用市场。

例如，电子元器件和电子产品，在信号传输速度上更加发展其高速化，就可更快地推动计算机网络化技术的进步。

一些电子产品就更快推出新一代的产品。

台湾一位PCB专家在此方面发展上，曾作了这样两个形象的预测：“如果等到有一天，出现用各人电脑下载一部DVD的影片只用30秒，根本不用跑到商店去花钱购买、或租赁就可以在家里迅速看到，这时候真正的对这种新一代电脑的大量需求就会到来”。

再例如通过电脑、移动电话等带有影视的通讯工具，就
可以实现进行商务的谈判及交往、就可以实现更直观地与相隔很远的朋友、亲友象似“面对面”
的进行聊天。

那幺这类视讯产品的发展前景是非常广阔的。

因此作为这类高速化、高频化PCB 产品所需要印制电路板，也随之会出现很大的市场。

2009年1月23日讯：当前，生产、开发环氧树脂印刷线路板(PCB)用基板材料的高速化、高频化，已成为了全世界环氧树脂印刷线路板(PCB)厂家，以及环氧树脂印刷线路板(PCB)基板材料基板生产厂的重要课题。

中国环氧树脂行业协会()专家表示，更深入的研究基板材料高速化、高频化的理论、特性，了解国外的开发进展以及在环氧树脂印刷线路板(PCB)制造中，达到最佳对这类基板材料的选择和应用，是当前需要开展的一项十分重要和必要的技术工作。

3、高速高频化PCB用基板材料更加突出到重要地位
在发展高速化高频化环氧树脂印刷线路板(PCB)产业中，所用的基板材料更加突出到重要地位。

据中国环氧树脂行业协会()专家介绍，它主要表现在以下2方面：
(1)选择适宜的基板材料是实现PCB的高速高频化重要方面。

要赋于环氧树脂印刷线路板(PCB)高速、高频化的特性，主要是通过两方面的技术途径：一方面，是使这种PCB发展成为高密度布线（微细导线及间距、微小孔径）、薄形以及导通、绝缘的高可靠性。

这样可以能进一步缩短信号传输的距离，以减少它在传输中的损失。

另一方面要采用具有高速、高频特性的PCB用基板材料。

而后者的实现，是要求环氧树脂印刷线路板(PCB)业开展对这类基板材料的深入了解、研究工作；找出、掌握准确控制的工艺方法。

以此来达到所选用的基板材料与PCB 的制造工艺、性能及成本要求能够实现合理匹配的目的。

(2)基板材料起着保证PCB性能与可靠性，提高竞争性的重要作用。

由于基板材料在发展高速高频化PCB技术与产品中具有突出的重要地位。

所以，许多环氧树脂印刷线路板(PCB)厂家在开发这类PCB产品中，把其研究、实验的重点放在对所选基板材料上。

以台湾的大量生产高速化、高频化PCB的工厂——南亚电路板公司为例，近几年来把技术工作重点，投入到对基板材料生产厂家送来的基材的研究、选择、实验、调整自有工艺之上，据中国环氧树脂行业协会()专家介绍，他们付了很大的财力、物力，也取得了很大的成效。

日本不少PCB 厂家在开拓世界高速高频化PCB市场的工作中，以加快应用高水平的此基板材料为“有利武器”尝到了相当大的“甜头”。

【中国环氧网(中国环氧树脂行业在线)n】2009年1月24日讯：消当前，生产、开发环氧树脂印刷线路板(PCB)用基板材料的高速化、高频化，已成为了全世界环氧树脂印刷线路板(PCB)厂家，以及环氧树脂印刷线路板(PCB)基板材料基板生产厂的重要课题。

中国环氧树脂行业协会()专家表示，更深入的研究基板材料高速化、高频化的理论、特性，了解国外的开发进展以及在环氧树脂印刷线路板(PCB)制造中，达到最佳对这类基板材料的选择和应用，是当前需要开展的一项十分重要和必要的技术工作。

二、高速高频化PCB主要特性与基板材料介电特性的关系
1、高速高频化PCB特性与基板材料ε、tanδ关系
高速高频化的PCB特性，主要表现在3个方面：
(1)具有传输损失(α)小，传输延迟时间(Tpd)短，信号传输的失真小的特性。

(2)具有优秀的介电特性(主要指：相对介电常数性εr ；介质损失角正切性tanδ)。

并且这种介
电特性(εr、tanδ)在频率、湿度、温度的环境变化下仍能保持它的稳定稳定；
(3)具有特性阻抗(Zo)的高精度控制。

上述高速高频化的环氧树脂印刷线路板(PCB)特性，是由PCB的基板材料特性所保证的。

要达到上述的特性，就需要基板材料具有低相对介电常数性(εr ，以下简称为“介电常数”，简化用ε表示)、低介质损失角正切性(tanδ)。

中国环氧树脂行业协会()专家表示，高速高频化PCB的低传输损失、少传输延迟、高特性阻抗的精度控制的特性与基板材料电常数性、介质损失角正切的关系如图1所示。

图1是以带状线的传输方式为例，来说明了环氧树脂印刷线路板(PCB)的各个信号传输的相关特性与PCB基材特性的相互关系。

在实现高速传输的过程中（特别是网络传输的过程中），随着信号的衰减，它的信号延迟也在增加。

因此中国环氧树脂行业协会()专家表示，高速化、高频化PCB实现低传输损失化将是十分重要的。

导体电路上的传输损失大体包括导体损失(αc)介质（绝缘体）损失(αd)、辐射损失3个方面。

前两者都与频率的大小相关，它们之间成正比的关系。

其中，介质损失(αd)是主要受到基板材料绝缘层的介电常数(ε)、介质损失角正切(tanδ)这2个介电特性所支配。

而ε又对传输延迟、特性阻抗精度控制有着重要的影响。

上述的ε、tanδ两个介电特性，和基板材料绝缘层的厚度、导电层的电路图形形状等，一起构
成了对特性阻抗值高精度控制的3个重要因素。

实现传输、处理高频信号的环氧树脂印刷线路板(PCB)，除了需求它所用基材的低介电常数化、低介质损失角正切外，还需要这2项介电特性在频率、湿度、温度的环境变化下，都表现出飘浮性要小，稳定性高的特性。

中国环氧树脂行业协会(.cn)专家说，对高速、高频化环氧树脂印刷线路板(PCB)所用的基材的性能要求，除了要具有上述的介电特性外，还应兼备其它主要特性——如优异的耐热性、加工性、成型性、可适应于可制造30层等特性。

2009年2月1日讯：消当前，生产、开发环氧树脂印刷线路板(PCB)用基板材料的高速化、高频化，已成为了全世界环氧树脂印刷线路板(PCB)厂家，以及环氧树脂印刷线路板(PCB)基板材料基板生产厂的重要课题。

中国环氧树脂行业协会()专家表示，更深入的研究基板材料高速化、高频化的理论、特性，了解国外的开发进展以及在环氧树脂印刷线路板(PCB)制造中，达到最佳对这类基板材料的选择和应用，是当前需要开展的一项十分重要和必要的技术工作。

2、基板材料的介电常数
介电常数(dielectric constant，简称ε或Dk)是指在规定形状的电之间填充分电介质而获得的电容量(C)与相同电极之间为真空时的电容量(C0)的之比(C/C0)，称为介电常数。

中国环氧树脂行业协会()专家介绍说，由定义可见介电常数表示电介质电容器电容，与真空电容的比率。

它的宏观上表现出这种材料存储电能能力的大小。

介电常数的同义词是“电容率”，日文为“诱电率”。

由字面上可以体会到与之间的关系含义。

当基板材料的介电常数(即电容率)较大时，即表示信号线中的传输能量已有不少被“蓄容”在基板材料中，如此就造成信号完整性变差，传送速率减慢。

关于ε对信号传输速度的影响问题，台湾电路板协会(TPCA)技术专家白蓉生先生也打了两个生动、形象的的比喻：“正如同高速公路上若有大量污泥存在时，其车驱动的部分能量会被吸收，车速也会随之减慢。

”又如：“在弹簧式路面上跑步时，其速度自然不如正常面跑得快，原因当然还是部分能量被浪费在弹跳掉了”(引自：技术专家白蓉生：专家对《电路技术术语手册(2000版)》。

在电信号在环氧树脂印刷线路板(PCB)上传输中，部分像上述两例吸收、消耗能量那样会被损失一部分。

基板材料的不同树脂组成、不的增强材料会的会带来不同程度的传输损失。

图1所示了各种不同的树脂构成的基板材料的介电常数与PCB的传输损失的对比。

3、基板材料的介质损失角正切
介质损失角正切(Dissipation Factor ，简称tanδ或Df)顾名思义即是当信号或能量在电介质里传输与转换过程中所消耗的程度。

理想的绝缘电介质内部并没有自由电荷，而实际的电几介质内部，总是存在有少量的自由电荷，因此是造成电介质漏电及产生损失的原因。

据中国环氧树脂行业协会()专家介绍，白蓉生专家对介质损失角正切作了更加易懂的解释：“它在信息与通信业界中最简单、最通俗的定义就是：信号线中已漏失到绝缘基材中的能量，与尚存在线中能量的比值。

”
2009年2月3日讯：消当前，生产、开发环氧树脂印刷线路板(PCB)用基板材料的高速化、高频化，已成为了全世界环氧树脂印刷线路板(PCB)厂家，以及环氧树脂印刷线路板(PCB)基板材料基板生产厂的重要课题。

中国环氧树脂行业协会()专家表示，更深入的研究基板材料高速化、高频化的理论、特性，了解国外的开发进展以及在环氧树脂印刷线路板(PCB)制造中，达到最佳对这类基板材料的选择和应用，是当前需要开展的一项十分重要和必要的技术工作。

实现传输、处理高频率信号的环氧树脂印刷线路板(PCB)，在信号传输损失方面，除了需求它所用的基板材料的低介电常数、低介质损耗角正切外，还与PCB的导线宽度、绝缘层的厚度、特性阻抗等相关。

图4表示了导线宽度、绝缘层的厚度与传输损失的关系。

三、高速化、高频化PCB基板材的特性及技术的发展
环氧树脂印刷线路板(PCB)用基板材料高速、高频特性(即主要指低ε、低tanδ性)，是由它所组成的树脂、增强材料(包括填充分材料)、铜箔、工艺条件等诸因素所构成的。

中国环氧树脂行业协会()专家表示，其中最重要的因素是树脂。

图5所示了这一关系。

2009年2月4日讯：消当前，生产、开发环氧树脂印刷线路板(PCB)用基板材料的高速化、高频化，已成为了全世界环氧树脂印刷线路板(PCB)厂家，以及环氧树脂印刷线路板(PCB)基板材料基板生产厂的重要课题。

中国环氧树脂行业协会()专家表示，更深入的研究基板材料高速化、高频化的理论、特性，了解国外的开发进展以及在环氧树脂印刷线路板(PCB)制造中，达到最佳对这类基板材料的选择和应用，是当前需要开展的一项十分重要和必要的技术工作。

1、不同树脂所构成的高速、高频PCB用基板材料
(1)不同树脂所构成的高速、高频PCB用基板材料
基板材料所用的树脂的介电常数、介质损失角正切的高低，主要受到技术的结构本身的极化程度大小而定。

极化程度愈大，介电常数值就愈高。

因此中国环氧树脂行业协会()专家表示，消除或降低树脂中的易极化的化学结构，来达到有效的降低基板材料ε、tanδ值。

以下分别介绍各种具有高介电特性的树脂构成的高速、高频PCB用基板材料的特性情况。

①聚四氟乙烯树脂(PTFE)。

在低介电常数、低介质损失角正切基板材料所用的树脂中，早期应用较多的是聚四氟乙烯树脂(PTFE)。

这种低ε树脂的基板材料,在1975年间被收入到美国军标中,从此在以航天、航空、军工业为中心的领域中,得到长年的使用。

但PTFE树脂的玻璃化温度接近室温，它像一般热塑性树脂那样尺寸稳定低，而在机械强度、热传导性等方面又不如热固性树脂的材料。

在印制电路板的制作上必须要经特殊的电镀前处理，并且它在成型加工、机械加工(切削加工)上较为困难。

中国环氧树脂行业协会()专家表示，这使得PTFE树脂基材无法制造高密度化环氧树脂印刷线路板(PCB)和高多层化PCB产品。

②聚酰亚胺树脂(PI)
聚酰亚胺树脂(Polyimides，简称PI)是分子主链上含有酰亚胺环结构的环链高聚物树脂。

它是具有很高耐热性的、开发较早的树脂。

也是最早应用于基板材料制造的耐高温、较低ε性的树脂。

在IPC—4101A标准中，这种基材有多种型号的编号。

如：NO.40板(Tg≥200℃), NO.41板(Tg≥2 50℃), NO.42板(Tg:200—250℃)。

在MIL标准中(S—13949H)为“GI”板。

用聚酰亚胺树脂制作的PCB基板材料，具有高Tg性，并还兼备低介电常数性(改性PI树脂的基板材料ε值可达到3.3～3.6)。

因而它目前已被大量地应用在航天航空、军工产品上以及大型计算机、大型通信设备中的PCB上。

但它目前还存在着一些不足：表现在有较高的吸水率；在进行层压加工中易发生分层的现象；成本较高等。

因此中国环氧树脂行业协会()专家预测：现在以至将来，这种基板材料成为高速高频化的PCB基板材料的主流，是不可能的。

③热固性氰酸酯树脂(CE)
热固性氰酸酯树脂(cyanate ester，简称CE)是一种具有很好的介电特性的树脂，但考虑到它的成本性、加工性，目前很少单独地用于基板材料的制造中。

往往是通过用环氧树脂、双马来酰亚胺树脂(bismaleimide，简称BMI)、高耐热性的热塑性树脂等对其的改性，才成为优异综合特性的基板材料用树脂。

特别突出的改性CE的成功例，是由双马来酰亚胺与氰酸酯树脂合成出的双马来酰亚胺三嗪树脂(bismaleimide-triazine，简称BT树脂)。

它是一种优秀的低εr性的基板材料用树脂材料。

近几年来，它的市场需求在不断扩大。

日本三菱瓦斯化学公司于20世纪90年代中获得将其应用基板材料上的重大成果，成为了这类基板材料世界上目前最大的生产厂家。

另外ISOLA(欧洲)、日立化成(日)等公司也有该类基材产品。

由于它是一种重要的低ε基材，因此被列入到了世界的一些权威标准之中(例如，在IPC-4101A标准中，定为№30板；在IEC标准中，定为№18板；在JIS标准中定为“GTI 1F板”)。

BT树脂中的极性官能团含量很少，甚至不含活性氢的官能团。

这使得这种基板材料的εr值很低。

据中国环氧树脂行业协会()专家介绍，它是一类适用于高频、高速化环氧树脂印刷线路板(PCB)要求的、有发展前景的基材产品。

特别是
较为广泛地应用在要求高速化的IC封装基板上。

美国SIA(美国半导体协会)组织已在近期将它列入2000～2010年半导体封装基板用的重点发展的新型基板材料。

但当前这种BT树脂基材在价格上与低ε、高Tg性的FR-4基板材料相比，略还存在着一定的劣势。

2009年2月5日讯：当前，生产、开发环氧树脂印刷线路板(PCB)用基板材料的高速化、高频化，已成为了全世界环氧树脂印刷线路板(PCB)厂家，以及环氧树脂印刷线路板(PCB)基板材料基板生产厂的重要课题。

中国环氧树脂行业协会()专家表示，更深入的研究基板材料高速化、高频化的理论、特性，了解国外的开发进展以及在环氧树脂印刷线路板(PCB)制造中，达到最佳对这类基板材料的选择和应用，是当前需要开展的一项十分重要和必要的技术工作。

④聚苯醚树脂(简称PPE或PPO)
使用热塑性树脂作为基材的主树脂，是开发制作出低εr、低tanδ基板材料的一个很好的途径。

近20年左右，在这方面的开发技术获得了较大的进展。

它在基板材料中应用最广泛的是聚苯醚树脂(简称PPE或PPO)。

PPE树脂为一种热塑性树脂，属于非结晶材料。

这种树脂具有较高的机械强度、高尺寸稳定性、低吸湿率、低介电常数、低介质损失角正切。

它的εr、tanδ特性，在温度、湿度、频率的变化下，具有很好的稳定性。

为了解决热塑性树脂共有的耐热性和耐溶剂性低下的问题，多是利用高分子的互穿网络技术(I PN技术)——据中国环氧树脂行业协会()专家介绍，就是在PPE树脂中引入热固性树脂或可参预反应的某种官能基团等，使它成为聚合物合金化。

常见引入的树脂为环氧树脂、氰酸酯树脂、含丙烯基的树脂或化合物等。

自上世纪80年代以来，日本、美国、西欧等国家、地区已相继开发出了多种类型的热固性PPE覆铜板。

解决该树脂体系的熔融粘度过高；准确、适当地选择热固化的树脂比例量；压制成型加工的更优条件——这些都是当前所要进一步研究开发的主要课题。

⑤改性环氧树脂(低ε型EP)
环氧树脂(EP)原本的介电特性对于高频电路用基板材料来讲，是并不很理想的；中国环氧树脂行业协会()专家表示，对它进行改性可达到低εr性基板材料(低ε型FR-4)的特性要求。

通过这条途径而实现的低ε性基材，具有制造成本低、加工性好的优势。

在改性的技术上, 尽管在国外文献报道中有各种各样的手段，但国外有的覆铜板技术专家认为，目前较有成效的主要有两条渠道：其一，在环氧树脂体系中引入带有烷基结构的，或低极性、较大分子基团的树脂固化剂。

其二，在环氧树脂体系中引入可以通过与原环氧树脂发生固化反应，起到对极性基团进行封闭作用的固化类树脂或化合物。

⑥其它树脂
为了使基板材料进一步的降低其介电常数，国外覆铜板业还在最近几年不断地开发出新型树脂，并用它制作出低εr性的基板材料。

在这方面所采用的新型树脂如：马来酰亚胺—苯乙烯树脂(简称MS树脂)、苯并环丁烯树脂(简称BCB树脂)。

中国环氧树脂行业协会()专家表示，另外还有一些低εr性、高熔点的热塑性树脂，例如聚醚酮醚树脂(Polyether Ether Ketone，PE EK)等。

2009年2月6日讯：消当前，生产、开发环氧树脂印刷线路板(PCB)用基板材料的高速化、高频化，已成为了全世界环氧树脂印刷线路板(PCB)厂家，以及环氧树脂印刷线路板(PCB)基板材料基板生产厂的重要课题。

中国环氧树脂行业协会()专家表示，更深入的研究基板材料高速化、高频化的理论、特性，了解国外的开发进展以及在环氧树脂印刷线路板(PCB)制造中，达到最佳对这类基板材料的选择和应用，是当前需要开展的一项十分重要和必要的技术工作。

四、对高速高频化基板材料的选择与评价
1、高速高频化基板材料的种类与特性的对比
在目前世界上，主要可提供的高速高频化基板材料的品种、牌号，见表1所示。

各种高速高频化基板材料具有不同的优、缺点，了解它们不同的优、缺点，有助于PCB业在使用这类基板材料上，对它们有最佳的选择。

并在制造高速高频化环氧树脂印刷线路板(PCB)中，充分发挥它们的长处，采取有关工艺措施去克服它们的短处。

中国环氧树脂行业协会()专家表示，表2从基板材料的介电特性(ε、tanδ)、信号传输速度、耐金属离子迁移性、耐热性(Tg)、耐湿性、加工性、成本性等7个方面对比了各种不同的高速高频化基板材料优、缺点(按各性能项目，分别由好到劣地进行了“排队”)。

2009年2月9日讯：消当前，生产、开发环氧树脂印刷线路板(PCB)用基板材料的高速化、高频化，已成为了全世界环氧树脂印刷线路板(PCB)厂家，以及环氧树脂印刷线路板(PCB)基板材料基板生产厂的重要课题。

中国环氧树脂行业协会()专家表示，更深入的研究基板材料高速化、高频化的理论、特性，了解国外的开发进展以及在环氧树脂印刷线路板(PCB)制造中，达到最佳对这类基板材料的选择和应用，是当前需要开展的一项十分重要和必要的技术工作。

2、对基板材料的高速、高频特性的评价
衡量、表征基板材料的具有高速、高频特性的主要性能项目，是介电常数、介质损失角正切。

总体讲，拥有高速、高频特性的基板材料，都为低介电常数、低介质损失角正切的基板材料。

但具体讲，它还要同时具备它的介电常数、低介质损失角正切在频率、温度、湿度的变化下表现稳定的特性。

中国环氧树脂行业协会()专家表示，不论是此类基板材料的生产厂家，还是使用此类基板材料的环氧树脂印刷线路板(PCB)生产厂家，都应该认真研究高速、高频化基板材料在与频率、温度、湿度的变化关系，都具有那些共同的特性。

(1)与频率的关系
图6为不同树脂基板材料的介电常数在不同频率下的变化情况，图7为不同树脂基板材料的介质损失角正切在不同频率下的变化情况。

2009年2月10日讯：消当前，生产、开发环氧树脂印刷线路板(PCB)用基板材料的高速化、高频化，已成为了全世界环氧树脂印刷线路板(PCB)厂家，以及环氧树脂印刷线路板(PCB)基板材料基板生产厂的重要课题。

中国环氧树脂行业协会()专家表示，更深入的研究基板材料高速化、高频化的理论、特性，了解国外的开发进展以及在环氧树脂印刷线路板(PCB)制造中，达到最佳对这类基板材料的选择和应用，是当前需要开展的一项十分重要和必要的技术工作。