一種無鹵和超低損耗覆銅板的研制

陳宇航 胡 鵬 曾憲平 關遲記

（廣東生益科技股份有限公司 國家電子電路基材工程技術研究中心，廣東 東莞 523808）

0 引言

通信基站、通信網(wǎng)絡、數(shù)據(jù)中心、云計算等領域的快速發(fā)展下，電子產品走向高頻高速化，它們的市場擴大也驅動了作為高速印制電路板（PCB）基板材料——高速覆銅板在產品品種及其技術的新發(fā)展[1]。覆銅板（CCL）是將增強材料浸以粘結劑，一面或兩面覆以銅箔，經(jīng)熱壓而成的一種板狀材料。一般將適于低信號傳輸損耗、具有高頻高速傳輸特性的PCB用基板材料，稱為高速電路用基板材料。按照損耗來分，可以分為中損耗（mid low loss）、低損耗（low loss）、甚低損耗（very low loss）、超低損耗（ultra low loss）級別，而對于覆銅板來說，損耗與基板的損耗因子（Df）相關性較大。

隨著以Intel為主導的服務器產品發(fā)展趨勢，將會在2020年底正式推出PCIe5.0，屆時主要端口的傳輸速率將會有現(xiàn)在Purely平臺的16 Gbps上升到32 Gbps，Intel也提出了對應的基材損耗要求為IL@16 GHz＜1.02 dB/in。從目前終端處了解的信息分析來看，設計師依據(jù)Intel的技術規(guī)格要求，在考慮材料的溫度系數(shù)基礎上，損耗要求提高為：IL@16 GHz＜0.9 dB/in。可靠性方面由于設計的密度增加，PCB的層數(shù)和厚度將會由原來的16層/2.8 mm提高到24～28層/3.2～3.8 mm。本文重點介紹了一款ultra low loss級別，高速領域的覆銅板，介紹了板材的開發(fā)思路、介電性能、可靠性等，該板材可以滿足下一代服務器產品的應用需求。

1 高耐熱性低傳輸損耗的覆銅板開發(fā)思路

1.1 高速高頻化PCB特性與基板材料ε、tanδ的關系

在高速高頻電路中，信號的傳輸速率與絕緣材料介電常數(shù)Dk（或ε）存在如式（1）關系[2]：

式（1）中ν—信號傳輸速率，ε—基板介質常數(shù)，c—光速。

基材介質常數(shù)Dk越低，信號傳輸速率越快。因此要實現(xiàn)信號傳輸速率的高速化，必須開發(fā)低介電常數(shù)的基板。

隨著信號頻率的高速高頻化，基板中信號的損耗不能再忽略不計。信號損耗與頻率、介電常數(shù)Dk、介質損耗因子Df或tanδ關系如式（2）所示：

式（2）中α—信號傳輸損耗，k—常數(shù)，tanδ—介質損耗，ε—基板介質常數(shù)，c—光速。

從上式我們可知，基板介電常數(shù)Dk越小、介質損耗因子Df越小，信號損失就越小。因此在高頻板的開發(fā)過稱中，要求板材絕緣材料具有低的介電常數(shù)Dk及低介質損耗因子Df。

介電常數(shù)除影響信號的傳輸速率外，還在很大程度上決定印制板的特性阻抗，其表達式如式（3）所示：

式（3）中：Z0—印制板傳輸線的特性阻抗，ε—基板介電常數(shù)，h—介質厚度，w—導線寬度，t—導線厚度。為了保證高頻電子電路特性阻抗的連續(xù)性，降低因特性阻抗不匹配導致信號反射的損耗，對基材的Dk、厚度的穩(wěn)定性和均勻性提出了嚴格的要求[2]。

1.2 聚合物基體

常用的聚合物基體可分為極性和非極性兩類。極性聚合物由于自身固有的極性具有較高的介電常數(shù)，但是同時介電損耗較大。比較典型的有：聚偏氟乙烯、聚氯乙稀、聚甲基丙烯酸甲酯、聚酰胺、環(huán)氧樹脂等。非極性聚合物由于自身分子結構的對稱性具有較低的介電常數(shù)，通常為2～3，同時介電損耗很小。比較典型的有：聚四氟乙烯、碳氫樹脂及聚苯醚等。如表1為不同樹脂基體的介電性能[3]。

表1 不同樹脂的介電常數(shù)與介質損耗因子（Dk/Df）[3]

由表1中的不同樹脂的介質損耗因子大小對比可知，許多常用的聚合物的介質損耗因子tanδ較小，可選為主體樹脂基體。但對于制造覆銅板，選用主體樹脂基體應盡可能的采用熱固性樹脂，使板材具有足夠的耐熱性能和機械強度。改性聚苯醚樹脂是經(jīng)過將大分子熱塑性聚苯醚樹脂小分子化和官能化改性，進而降低其熔融粘度，并具備與特定交聯(lián)劑進行交聯(lián)固化，且保持其本身高的機械強度及耐熱性，較好的尺寸穩(wěn)定性和優(yōu)異介電性能，且隨溫度、頻率的變化較小。

1.3 功能性填料

由于高分子聚合物本身的熱膨脹率較大，尺寸穩(wěn)定性較差，使用純的改性聚苯醚樹脂組合物固化后制備的覆銅板的熱膨脹系數(shù)大，易出現(xiàn)分層爆板的問題，且成本較高。為解決覆銅板熱膨脹系數(shù)大和成本高的問題，通常在配方中引入功能性填料，其中硅微粉是較為常見的一種。硅微粉是由石英加工而成的粉體，具有高絕緣性、高熱傳導性、高穩(wěn)定性、低的熱膨脹系數(shù)和低成本等特性。由于硅微粉具有較多的優(yōu)良性能，因此在覆銅板行業(yè)的應用日趨廣泛，成為覆銅板的重要組成部分[4]。

1.4 其他材料選擇

為使覆銅板可滿足其他方面的需求，需引入不同功能的輔助材料。例如，為提高基材的阻燃性，需要添加一定的阻燃劑。

2 實驗部分

2.1 主要原材料

改性聚苯醚樹脂、交聯(lián)劑、填料、阻燃劑、溶劑等。

2.2 覆銅板的制作

根據(jù)設計好的實驗配方，稱取一定量改性聚苯醚樹脂、改性樹脂、交聯(lián)劑、阻燃劑和溶劑共混攪拌制得均勻膠液，調整好上膠機夾軸間隙、轉速，使用E-玻纖布作為增強材料，浸以配好的膠液，均勻上膠。將浸過膠液的玻纖布放入設定好烘烤條件的烘箱，烘成半固化粘結片。然后將制得的粘結片根據(jù)不同板材厚度的要求疊加，兩面覆以銅箔，置于真空壓機中壓制成覆銅板。

2.3 覆銅板性能測試

參照IPC標準及生益科技的企業(yè)標準的檢測方法，對由上述組合物制成的覆銅板進行性能測試，主要測試項目及儀器見下。

（1）玻璃化轉變溫度Tg：動態(tài)熱機械分析法（DMA）；（2）熱分解溫度Td：熱重分析法（TGA）；（3）X、Y、Z-CTE及熱分層時間T288：熱機械分析法（TMA）；（4）介電常數(shù)與介質損耗因子：SPDR法（3、5、10 GHz）、平板電容法（1 GHz）；（5）層間結合力：剝離強度測試儀；（6）熱導率：熱阻儀，按ASTM D5470標準；（7）銅箔剝離強度：剝離強度測試儀，按IPC-TM-650方法；（8）高溫高濕吸水率：恒溫恒濕箱，85℃/85% RH，168h；（9）燃燒性：燃燒試驗箱（UL94）。

3 結果與討論

3.1 覆銅板基本性能

為使基材達到Ultra low loss級別的電性能和耐熱性，經(jīng)過反復的實驗、考察，最后確定了體系中各物料的質量百分比，研制的高耐熱性、低傳輸損耗的覆銅板具有優(yōu)異的綜合性能，具體如下表2所示。

3.2 覆銅板耐熱性分析

由表2和圖1～圖4可知，本文所研制的覆銅板具有較高的熱分解溫度（Td），如圖1所示，Td（5%loss）高達430.43 ℃。另外，該覆銅板具有較高的玻璃化轉變溫度（Tg），如圖2所示Tg（DMA）為210.6 ℃ 研制的覆銅板具有較低的熱膨脹系數(shù)，說明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。該覆銅板的熱膨脹系數(shù)（z-CTE），如圖3所示，α_1|:60.14 μm/（m·℃），α_2|:230.6 μm/（m·℃），50～260 ℃的膨脹百分比：2.623%。

表2 覆銅板基本性能表

此外，如圖4所示，該覆銅板還具有較長的熱分層時間，T360為86.5 min，說明板材具有優(yōu)異的耐熱性能，完全可以滿足后續(xù)PCB加工。

圖1 覆銅板熱分解溫度Td測試曲線圖

圖2 覆銅板T360測試曲線圖

圖3 覆銅板z-CTE測試曲線圖

圖4 覆銅板玻璃化轉變溫度Tg測試曲線圖

3.3 高多層PCB應用

3.3.1 多層板耐熱性

高多層印制電路板的耐熱可靠性除了與原材料覆銅板的耐熱性相關外，與PCB的加工有較大關系。在同等條件下，PCB板層數(shù)越高，厚度越大，內層銅厚度越厚，間距（Pitch）越小，對基材耐熱性要求更高。本文采用新開發(fā)的覆銅板制作成28層3.7 mm厚度的高多層PCB，內層含有6層70 μm厚銅，最小節(jié)距（pitch） 0.65 mm BGA和0.25 mm散熱孔進行考試，分別做6次260 ℃無鉛回流焊和6次288 ℃漂錫處理。制作切片對板材內部形貌進行觀察，都無分層、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5。

圖5 28 L板6次漂錫處理后的切片圖

3.3.2 SI（信號完整性）性能

表3為覆銅板插入損耗（IL）性能表，從表中可以看出，板材搭配HVLP2銅箔，0.102 mm芯板搭配0.127 mm PP，在16 G頻率下IL為0.722 dB/in，板材搭配RTF2銅箔，0.102 mm core搭配0.127 mm PP，在16 G頻率時IL為0.751 dB/in，可以滿足Inter新一代Purely平臺的損耗要求。

3.3.3 CAF（耐離子遷移）性能

圖6為覆銅板CAF性能測試圖，模型為28L多層板，內含6×2 oz銅箔，測試條件為溫度85 ℃，濕度85%，電壓為100 V，從圖中可以看出，在經(jīng)過1000 h的測試后，4種節(jié)距的通道其電阻均在108 Ω以上，CAF性能良好。

3.3.4 IST（互聯(lián)應力測試）性能

覆銅板IST性能測試，模型為28 L多層板，內含6×2 oz銅箔，測試條件為（150 ℃/3 min）-（25 ℃/2 min），在經(jīng)過1000循環(huán)的測試后，其電阻變化率均小于10%，IST性能良好。

表3 覆銅板SI性能表

圖6 覆銅板CAF性能圖

4 結論

本文研究開發(fā)了一款超低損耗級別的覆銅板及粘結片材料，該材料具有較高Tg、較高的耐熱性和耐CAF性，較低的介質損耗和插入損耗、且PCB加工性優(yōu)異，可滿足通信領域用的高多層PCB的耐熱性和信號完整性的需求。