5G通信對PCB基材的要求

林金堵

本刊名譽主編

我國5G通信在華為科技公司等的帶領下，全世界正在以空前的發展速度推動著！5G通信不僅其數據大、傳輸速度成倍（或指數）提升，而且融入網絡（如物聯網、車聯網、人工智能、互動式多媒體等），更大地拓寬了相關應用的領域，隨著5G通信的提速、拓寬和進步，使人類社會快速進入“萬物互聯”的時代！

大量公開資料指出：今后三五年，5G通信將超過智能終端和汽車電子的兩大應用市場，必然會成為帶動印制電路板（PCB）產業增長的第一引擎！同時，由于5G通信的傳輸高頻高速化和融入網絡化，采用的PCB皆為高密度、撓性和剛-撓結合，從所采用的基板材料、生產檢測的設備、PCB結構和性能等角度看，它將給PCB產業帶來升級，從而走上新的臺階，使我國PCB產品走向高質量化、高檔化！同時，5G通信的發展將帶來PCB產值新的增長點，如僅5G通信的射頻側基站用PCB產值將達到240億/年（中國占25%），是4G通信的4倍以上。因此，這預示著PCB行業會走上以5G為特色的PCB產品時代！未來兩三年內，5G通信的PCB將也會像5G通信一樣，十分精彩！

1 5G通信的基本特性和要求

1.1 5G通信的頻率范圍

5G通信技術是4G、3G和2G等的延伸擴展，5G是高數據傳輸速率、減少延遲、節省能源、降低成本、提高系統容量和大規模連接以及網絡化的通訊技術。

根據3GPP的5G無線規范（38系列）和2017年12月發布的V15.0版TS38.104規范，5D NR頻率范圍分為FR:FR1與FR2：FR1的頻率≤6 GHz，而FR2為毫米波頻段（見表1）。實際上，目前的“三代”通信的執行頻率如表2所示。

表1 5D NR頻率范圍

這就是說，5G通信的頻段，除了含有4G的頻段外，還有更高的頻段。目前5G通信的頻率絕大多數是在毫米波（34 GHz以上）范圍。

1.2 5G通信比4G通信的優勢

5G通信對比4G通信的優勢，主要體現在更高的速度、更大的容量、更小的延時等的特點。

1.2.1 高速的傳輸率

由于5G通信比4G通信快，加上延時小，根據中國聯通首批5G用戶體驗表明，5G比4G快（40～60）倍。如從一個10G的視頻，采用4G下載需要15 min，而采用5G下載僅用9 s，快100倍。同時，隨著5G“微基站”的增加，5G通信速率還會增加。

1.2.2 更短的延時時間

由于5G通信的延時時間更短，因此更加安全可靠。如以60公里/時速行使的汽車，4G網絡的延時是50 ms（毫微秒），如果用50 ms剎車其緊急制動距離達1 m或更大，這可能是產生激烈撞擊、傷人或生命的距離，而5G的網絡的延時是1 ms，用1 ms剎車其緊急制動距離僅17 min，很顯然更安全可靠，因此5G技術用于自動駕駛汽車是很理想的。

1.2.3 更大的傳輸容量

5G通信頻率范圍要高得多、應用范圍寬得多。同時，5G通信的處理數據量或容量更是海量的增加（見表3）。

1.2.4 應用范圍更加廣泛

實際上，4G還處在“人與人”之間的互聯，而5G除了“人與人”互聯外，還要加上“人與物”互聯和“物與物”互聯，并走上實現“萬物互聯”的時代！

5G通信比4G通信的優勢還有很多，如干擾小、傳輸遠、尺寸小、功耗低與成本低等。

由于5G通信的傳輸數據量更大、速度更快，就需要在相同面積或體積內布局更多的射頻發射設備，依靠這些大量信號發射裝置才能滿足5G通信的傳輸數據和無線覆蓋社會區域的要求，這些設備用的PCB，不僅需要高頻高速的基板材料、而且必須精密的線路加工和精確的檢測等實施方法才能滿足要求。

2 5G對PCB基板材料的要求

5G通信的實質是高頻化大容量的信號進行處理和傳輸，首要任務是選擇覆銅箔板（CCL）材料，它必須滿足高頻（毫米波）信號傳輸速度減小少、即介電常數小、介質損耗小、銅箔面粗糙度低、玻璃化轉變溫度高、熱膨脹系數小和導熱率高等的基板材料

2.1 介電常數對信號傳輸速度的影響

介質層的介電常數（Dk）對信號傳輸速度的影響如公式（1）所示。從公式（1）中可看出，信號傳輸速度（V）與介質層的Dk的平方根倒數成比例，所以要達到高速度的傳輸信號，要求介質層的Dk要盡量地小。

表2 目前“三代”通信實行的實際頻率

表3 “四代”通信處理的內容

式中，k——比例常數，C光——為光速（30萬千米/秒）

值得注意的是，在CCL中的介質層是玻纖布、樹脂（或有無機填料）等組成的復合材料，其組成和結構等因素決定了各處的Dk是不同的。要在PCB導線中穩定傳輸信號速度，必須從復合介質層的組成和結構進行調整，如采用薄型結構的扁平式的玻纖布等來獲得均勻性好的介質層，使各處的介電常數值趨于一致性，才能使高頻化和高速數字化的信號傳輸速度波動小。

2.2 CCL中介質損耗的影響

CCL中介質損耗（Df）的影響主要表現在信號傳輸過程發生衰減和產生熱耗上，并且將隨著高頻化和高速數字化的信號傳輸而迅速增加著。

介質層Df的影響如公式見式（2）所示。

式中k——常數，f——信號傳輸頻率，tanδ——介電損耗角正切。從公式（2）中可看出，Df將隨著頻率f、介電常數（Dk）1/2和介電損耗角正切tanδ的增加而增加。很顯然，介質層的Df的影響是最大的，特別是與介質層極化率相關的tanδ大小，因此，一般所說的材料的Df是指介電損耗角正切tanδ的損耗。

2.3 CCL中銅箔面粗糙度的影響

高頻信號在銅面粗糙度傳輸會引起傳輸信號發生“反射”和“駐波”，必然會帶來傳輸信號“損失”和“失真”。而CCL中銅箔面粗糙度主要是指與樹脂壓合面的銅箔粗糙度，這種粗糙度在PCB制造過程中是無法改變的。

趨膚效應是指信號的頻率傳輸越快，信號傳輸就越來越接近導體的表面進行。高頻信號在銅導體趨膚深度可用公式（3）表示。信號傳輸的趨膚效應是隨著傳輸信號的頻率增加而增加。

其中d（趨膚深度）表層厚度（mm）；k——常數，對銅而言為1；f——頻率（Hz）。很顯然，隨著信號傳輸頻率的提高，在導體內信號傳輸不僅集中在導體表面層，而且表面層傳輸厚度越來越薄，如表4所示。

從表4中可看出，隨著信號傳輸高頻化或高速數字化的發展，信號在導體中的信號傳輸表面厚度越來越薄，傳統的導體表面粗糙度便遇到了挑戰。而在1 GHz頻率以后，要求導線表面接近于無粗糙度（無輪廓）的結構，必須根據信號傳輸頻率和高速數字化程度來制造合適的粗糙度銅表面，才能滿足要求。

2.4 CCL中Tg和CTE的影響

CCL中介質層Tg（玻璃化轉變溫度）和CTE（熱膨脹系數）對5G通信的影響也提到重要的議事上來。由于5G通信PCB的主要特征是高密度、精細化，低Tg和大CTE的基材（如PTFE等）的應用越來越困難，使基板發生嚴重變形或大的內應力，威脅著5G通信使用可靠性和使用壽命！

表4 信號傳輸頻率與趨膚效應（表面層厚度）的關系

2.5 CCL中的銅箔和介質層厚度

選擇CCL中箔銅層和介質層厚度的要求是均勻性（偏差?。┖?。特別是介質層的厚度均勻性：一是介質層是由多成分（樹脂、玻纖布、填料等）組成的，其物理性能是不同的，當然影響著各種性能；二是介質層中的各種組成均勻性分布、特別是玻纖布機構（要采用扁平布結構要明顯好于常規玻纖布）等都是影響著PCB特性阻抗值大小的。

3 5G通信用的主要基板材料

3.1 5G通信用基板材料的要求

5G通信對基板材料的主要要求有：低Dk、低Df、高Tg、高Td、低CTE、高導熱率與低銅面粗糙度等。

3.1.1 CCL的低損耗等級要求

CCL基材的介質損耗Df的等級劃分如表5所示。而5G通信用基板材料的要求Dk≤3.0，而Df≤0.005。

3.1.2 CCL低Dk要求

5G通信對覆銅板Dk要求是越低越好，但是絕大多數的樹脂材料的介電常數的Dk≥3.0，只有聚四氟乙烯（PTFE）小于3.0（2.2～2.6），而介電常數Df≤0.002，但由于Tg低和制造工藝難點多成本高，尋找新的材料是根本的出路。如美國、日本開發的液晶聚合物（LCP），在20 GHz頻率下，其Dk接近3.0、而Df接近0.002，已成功應用到iPhone X手機的天線上[2]。

3.1.3 CCL高Tg、Td和低CTE要求

5G通信對CCL有高Tg要求，絕大多數Tg≥180 ℃，大多在180～260 ℃之間，而較高Tg溫度相應有較高Td（熱分解溫度）溫度。大多數5G通信用覆銅板Td溫度≥400 ℃。同時，由于有高Tg和Td，必然也具有較低的熱膨脹系數（CTE）。由于較高Tg、Td的溫度和較小的CTE,，必然帶來基板內應力變化較小，非常有利于提高印制板的耐熱性能、性能穩定性和使用壽命。

3.1.4 CCL高導熱系數CCL要求

由于有機基板介質層的導熱性能差，大多數在0.2 W/m·K左右，這是基板聚熱而升溫的根源，對于高密、高頻、大容量的5G通信的性能穩定性和使用壽命也是個嚴重的問題。因此采用加入導熱填料（主要是金屬氧化物和陶瓷材料等）或開發導熱性的樹脂材料等來提高導熱性能，目前較好的基板的介質層的導熱性能可提高到0.6 W/m·K左右。

表5 低介質損耗等級與典型的樹脂品種

表6 CCL銅箔處理面粗糙（輪廓）度Ra等級

3.1.5 CCL銅箔處理面粗糙度要求

由于高頻信號在導體的粗糙表面的趨膚效應在信號傳輸過程中必然產生“駐波”、“反射”等造成信號減弱。因此，不僅要求PCB 制造過程中的導體表面低粗糙化，又要求CCL的銅箔與樹脂壓合面必須低粗糙化。目前，CCL的供應商可以提供銅面粗糙（輪廓）度不同程度的產品，如表6所示。

目前，在CCL的供應商可以提供銅面粗糙度超低等級的廠家主要集中在日本，而國內能夠制造≤1.0 μm的輪廓銅箔的廠家并不多。

3.2 目前可用的CCL類型和選擇

目前，應用于5G通信、智能終端汽車電子等領域的高頻高速信號傳輸的CCL基材主要有：（1）聚四氟乙烯類；（2）碳氫樹脂類；（3）熱固性樹脂（含改性聚酰亞胺等）類；（4）特種樹脂（或膜）材料；（5）改性（或多官能團）環氧樹脂類。要根據用戶產品特性、應用條件、成本等綜合考慮而選擇相應的CCL。

3.2.1 聚四氟乙烯（PTFE）類的CCL

這類CCL是目前具有最低的Df和Dk以及其它優越性能等，這一類型既有PTFE+玻纖布，又有改性或添加填料PTFE+玻纖布的CCL材料。

這一類型：Dk為2.1～3.0（隨金屬氧化物加入量增加而加大）之間，Dk也可以達到10以上；Df為0.0009～0.004之間，Dk也是隨金屬氧化物加入量增加而增加著；導熱率在（0.25～0.75）W/m·k之間；CTE的X、Y方向（由于玻纖布、填料），可從（7～18）×10-6/℃之間的變化，而Z的變化較大，在小于Tg溫度內其變化為（30～220）×10-6/℃之間。PTFE的Tg為79 ℃，Td可高達500 ℃以上。PTFE類CCL的最大弱點是Tg溫度低、CTE大等帶來形變和內應力而影響高密度板加工和使用生命或可靠性。同時，加工難度大、價格高等。

3.2.2 碳氫類的CCL

碳氫類CCL的性能僅次于PTFE類板材，其導熱率和Tg溫度要好于PTFE類。碳氫類的CCL的主要特性：Dk為3.0～3.5（隨金屬氧化物加入量增加而加大）之間；Df為0.0025～0.0035之間（隨金屬氧化物加入量增加而增加）；導熱率在0.60～0.80 W/m·k之間；CTE的X、Y方向（由于玻纖布、填料），可從（9～18）×10-6/℃之間的變化，而Z向變化為（30～50）×10-6/℃之間；Tg為280 ℃，Td為400 ℃以上。加工性比環氧樹脂類要困難，但比PTFE類好多了，價格也便宜些，這對高密度的封裝載板制造是有利的。

3.2.3 熱固性樹脂CCL

目前這類熱固性樹脂CCL（包含改性的PI、BT、聚苯醚等）。其主要特性：Dk為3.0～3.6（隨金屬氧化物加入量增加而加大）之間；Df為0.002～0.003之間(隨金屬氧化物加入量增加而增加)；導熱率在（0.40～0.50）W/m·k之間；CTE的X、Y方向（由于玻纖布、填料）可從（13～22）×10-6/℃之間的變化；Tg為200 ℃左右，而Td為400 ℃以上。

3.2.4 改性的環氧樹脂CCL。

由于環氧樹脂的加工性能好，對它進行改進仍有發展前景，改性的環氧樹脂CCL便是例證。目前改性環氧樹脂CCL的主要特性：Dk為3.6～4.2（隨金屬氧化物加入量增加而加大）之間；Df為0.006～0.012之間（隨金屬氧化物加入量增加而增加）；導熱率在（0.40～0.80）W/m·k之間；CTE的X、Y方向（由于玻纖布、填料）可從（13～18）×10-6/℃之間的變化；Tg為180 ℃，Td為350 ℃以上。由于加工性能好、成本較低，對某些領域的應用仍有廣闊用途。

3.2.5 特種樹脂材料

具有很低Dk和Df等的材料不斷開發出來并得到應用，如Dk為3.0和Df為0.002左右的液晶聚合物（LCP）材料和膜得到了應用，還有聚苯醚樹脂（PPO）類和BMI樹脂等也得到了開發和應用！有采用“空氣珠”形成的介質層，其Dk可達到1.2、甚至更小，用量少應用于特殊的場合。

總之，近十年來,我國在高頻高速的CCL材料方面有了快速的發展與進步，在2020年8月CPCA展會上，生益科技、南亞、聯茂、華正、騰輝等企業（集團）都能提供用于5G通信、智能終端、汽車電子、航空航天等領域的高頻高速的CCL等材料，這是我國CCL產業可喜而巨大的進步，解決了過去依賴進口的基礎性材料問題。而現在美國更是變本加厲地進行“制裁”，極力制止我國發展與進步！今后還想依靠外國技術和產品是走不通了，我國只有走自力更生、才能發展壯大的道路！