高頻高速通信覆銅板信號損失分析及研究進展

蘇曉渭，趙海波，王成勇，王冬艷，盛小濤

（1.安徽鴻海新材料股份有限公司，安徽安慶246121；2.合肥工業大學材料科學與工程學院，合肥230009）

1 引言

覆銅箔層壓板（Copper Clad Laminate，CCL）簡稱覆銅板，是印制電路板（Printed Circuit Board，PCB）的重要基板。為了提高通訊速度，必須提高通訊頻率。目前4G網絡頻率在0.7～3.5 GHz之間，而5G網絡頻率遠高于4G。5G高頻高速通訊領域如基站及其配套設施、交換機、服務器、通訊終端、毫米波雷達等都需要大量新型CCL[1]。

在數據傳輸過程中，傳輸速度是首要考量因素，但要達到高質量通訊的要求，通訊過程中的信號損耗和失真必須重點考慮。不斷提高通訊頻率，就會使原本在低頻下可以忽略的信號損失變得不可忽略。本文分別討論了高頻下集成電路損耗的4類損失機理及國內研究進展。

2 集成電路損耗

高頻下集成電路損耗主要由4個部分組成，如式（1）所示：

其中αT為總傳輸損耗，αC為導體損耗，αD為介電損耗，αR為輻射損耗，αL為泄漏損耗[2]。

3 導體損耗

3.1 導體損耗產生的原因

導體損耗是由多種因素引起的，如銅箔表面粗糙度、導體的等效電阻、趨膚效應等。CCL所用銅箔無論是電解銅箔還是壓延銅箔，其原料都是電解銅，銅的純度很高，電阻的差別較小，因此上述3個要素的綜合作用是導體損耗的關鍵因素。

當交變電流通過導體時，會產生不斷變化的磁場，而變化的磁場又會引發額外的電流，額外電流方向與原電流方向相反，在導體中心部位的磁場最強，在這個位置產生的額外電流與原電流相互抵消，最終表現出來的是電流在導體表面聚集，這種現象被稱為趨膚現象。在某一深度內，電流密度為表面電流密度的1/e，該深度稱為趨膚深度，可用式（2）表示[3]。

其中δ為趨膚深度，f為頻率，μ為磁導率，σ為電導率。

承載電流導體的有效橫截面減小，從而導致更高的等效電阻；由式（2）可知，頻率越高，趨膚深度越小（淺），粗糙銅箔中高頻電流和低頻電流的走向對比如圖1所示，對于粗糙輪廓的導體，較低的趨膚深度將導致電流跟隨材料的輪廓，從而實質性地增加了傳播路徑的有效長度。

圖1 粗糙銅箔中高頻電流和低頻電流的走向對比

由于趨膚效應和粗糙度的綜合影響，高頻下的粗糙導體損耗與平滑導體損耗就會有不同，HAMMERSTAD和JENSEN通過導體損耗修正因子Ksr將粗糙導體損耗和平滑導體損耗聯系起來，建立了式（3）[4]。

αc（粗糙）為粗糙導體損耗，αc（光滑）為平滑導體損耗。

導體損耗修正因子的大小與趨膚深度和導體表面粗糙度有關，可用式（4）表示：

其中hRMS為表面粗糙度均方根，δ為趨膚深度。hRMS的大小與導體表面粗糙度有關，粗糙度越大其值越大，由式（2）可知趨膚深度是電流頻率的函數，隨著電流頻率的增加，趨膚深度不斷變小。從式（4）中可知導體損耗修正因子最大為2，即導體表面粗糙度對于導體損耗的影響最大可達2倍。

HAMMERSTAD和JENSEN建立的上述模型與實際情況稍有偏差，相關學者進行了進一步研究，引入了電感因素，為精確量化分析導體表面粗糙度與信號損失提供了更加細化的理論依據[5]。

綜上所述，降低導體損耗最有效的方法還是降低銅箔表面的粗糙度，通過控制銅箔生產工藝和后續粗化參數，可以大幅降低信號損耗。

3.2 銅箔粗糙度控制

電解銅箔是硫酸銅溶液在直流作用下，筒狀陰極表面電沉積金屬銅并持續剝離制成原箔，再對原箔進行粗化、耐熱及防氧化處理得到的[6]。其粗糙度主要受到以下3個方面影響：（1）陰極輥表面形態；（2）陰極極化作用的強弱；（3）添加劑的影響。

當鈦制陰極輥的表面粗糙度為0.4 μm時，生產的銅箔表面會有明顯凸起，光面色澤不均，表面質量差，而當陰極輥表面粗糙度降至0.2 μm時，生產出的銅箔相對平整。因此在生產電解銅箔的過程中要注意對陰極輥的養護和拋光[7]。

提高金屬結晶時的陰極極化作用可提高晶核生成速度，易得到致密的細晶組織，一般通過以下方法提高陰極極化作用：（1）提高電流密度；（2）提高銅離子濃度，隨著銅離子濃度的升高，毛面粗糙度降低，適宜的銅離子濃度為80～90 g/L；（3）適當降低溶液溫度，但會影響反應速率；（4）增加電解液流速[8-9]。

電解銅箔的粗糙度也可以通過在電鍍液中添加有機添加劑來控制。在電沉積過程中，電流密度和電場強度在銅箔襯底的突起峰上集聚度較高，因該峰趨于更快地生長而產生了粗糙的表面。如果某些有機分子優先吸附在表面的峰上，此時銅離子有利于在谷底進行沉積，從而生成粗糙度更低的銅箔。常見的添加劑有明膠和羥乙基纖維素等[3,6]。

壓延銅箔的表面粗糙度主要與以下因素有關：一是軋輥的表面粗糙度；二是軋制油的粘度，粘度越大，油膜就越厚，阻礙了軋輥的碾壓作用，使粗糙度增大；三是軋制速度，根據油膜軸承原理，軋輥轉動速度越高，油膜形成的壓力越大，油膜厚度越厚，也會使粗糙度增大[10-11]。

3.3 低粗糙度銅箔的抗剝離強度控制

降低CCL銅箔的粗糙度在降低信號損失的同時，將帶來與半固化片壓合后剝離強度下降的問題。為了保證銅箔低粗糙度的同時還要有足夠的剝離強度，常規增強銅箔的附著力方法是對銅箔與樹脂粘附的那一面進行粗化處理，但這樣得到的表面會參差不齊，信號損失嚴重。國內外學者在該領域進行了深入研究。日本Namics公司的SUZUKI[12]對銅箔表面進行納米化處理，先將銅箔進行酸洗去除氧化層，再使用專用處理溶液在銅表面形成納米結節。經顯微分析，處理后的納米級銅箔表面較傳統超低輪廓銅箔表面更加致密且均勻，納米級結節大幅增加接觸面積，納米尺度的錨固效應使銅箔與半固化片粘合更緊密，剝離強度滿足特定應用要求。SUZUKI[13]進一步利用4種不同納米尺度的銅箔與參照組的超低輪廓度銅箔進行對比，通過與3種不同的低介電損耗的半固化片進行交叉結合實驗，得出的結論是：在40 GHz下，超低輪廓度銅箔的損耗約為-0.9 dB，而幾種納米尺度銅箔的損耗接近于0 dB。

上述納米粗化銅箔通過微觀錨固技術可以獲得良好的附著力，然而，為了用平坦表面的銅箔制造可靠的高密度集成電路布線，在銅和絕緣層之間還需要新的粘合技術。日立公司開發出一種新的無輪廓銅箔，表面粗糙度Rz＜1.5 μm，通過微觀錨固技術可獲得更高的粘合強度。該技術通過對無輪廓箔片的粘合側進行適當微觀處理，獲得與常規粗糙化箔片相當的剝離強度（0.8 N/mm以上）[14]。

利用對低粗糙度銅箔表面進行處理來獲得較高的剝離強度的做法也是目前國內的研究熱點，WANG等[15]為了使銅箔表面平滑地粘合到預浸料上，開發了一種新的表面化學處理方法，可以實現銅箔與半固化片界面的微觀物理互鎖。處理后樣品的剝離強度更高，可達0.89 N/mm。這種表面處理方法主要就是在銅箔表面鍍一層厚度約為250 nm的錫層，經測定證實剝離強度的提高主要是錫的氧化物起了作用。

在生產低頻使用的CCL時，優先追求較高的抗剝離強度，即要求銅箔毛面的粗糙度更大，粗化后粗化層更大，因為低頻時趨膚效應不明顯，即使銅箔表面粗糙度較大也不會造成較大的損失。但在生產高頻使用的CCL時，既要保證銅箔的粗糙度較小且有足夠的抗剝離強度,又要在生產銅箔時控制銅箔的表面粗糙度，在銅箔的表面處理時需要提高其與樹脂基體的結合力。處理方法包括銅箔表面的納米化、建立過渡連接層以及硅烷偶聯劑的使用。

(1) 灌漿材料中的塊狀渣體含量對化學灌漿固結效果影響明顯，塊狀渣體占比越高(由5%提高至10%)，其孔隙率相對增大，漿液擴散越容易，固結強度越高。

4 介質損耗

4.1 介質損耗產生的原因

理想的絕緣介質是不存在的。介質分子根據其中被束縛的帶電粒子的分布特征分為無極分子和有極分子，無極分子中正、負電荷中心重合，相互抵消；有極分子中正、負電荷中心不重合，會構成一個電偶極矩。外加電場會使帶電粒子產生微觀位移，使介質中的偶極子隨電場方向規則排列，稱為介質極化，極化過程會消耗能量造成介質損耗。介質損耗與信號頻率、介電常數及損耗正切值有關，可用式（5）表示：

其中αD為介質損耗，k表示常數，f表示信號頻率，εr表示介質相對介電常數（Dielectric Constant，Dk），tan δ表示介質損耗正切值，也稱介質損耗因子（Dielectric Factor，Df）。

介質中信號傳播速度如式（6）所示：

其中K表示常數，c表示光速，εr表示介質相對介電常數。

從式（5）和（6）可以看出，CCL中的信號傳播速度與εr（即Dk）的平方根成反比；信號傳播損耗αD與頻率f、Df和Dk的平方根成正比。因此，為了獲得更低的介質損耗和更快的信號傳播速度，需要介質有更低和更穩定的相對介電常數和損耗因子。這就是為何常規環氧樹脂基CCL難以滿足高頻高速通信在信號損耗方面的控制要求。引入雙環戊二烯基團能有效改善環氧樹脂的介電性能，但由于羥基的存在，此類改性環氧樹脂的極性仍然較大，導致其不能達到超低損耗的要求[16]。

祝大同[17]在2015年中國電子材料行業協會覆銅板材料分會技術論壇上的報告中討論了高速CCL等級劃分的量化指標，提出按損耗因子將高速基板材料劃分為5類（等級），即所能達到低傳輸損耗的5個等級，高速基板分類如表1所示。

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4.2 高頻覆銅板用基板材料

非極性聚合物由于自身分子結構的對稱性具有較低的相對介電常數，通常為2～3，同時介電損耗也較小。表2為常見基板材料的相對介電常數與介質損耗因子[18]。下面重點介紹聚四氟乙烯（PTFE）和聚苯醚改性研究進展。

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PTFE分子鏈上的氟原子完全對稱分布，偶極矩幾乎為零，絕緣性能優異。體電阻可達1015Ω·m以上，相對介電常數在1.8～2.2之間。且介質損耗角小，達10-4數量級，同時介電常數和介質損耗角在1010Hz內不隨頻率和溫度的變化而變化。由于其優異的電氣性能，使其成為高頻電路板優選基材之一[19]。

PTFE用于高頻電路板也存在不足，表現在Z軸膨脹系數大和表面能較低。表面能較低使基板與銅箔的粘結性較差，尤其是在為了追求高速板極低的導體損失而大幅降低銅箔粗糙度時，粘結強度會大幅下降。Z軸膨脹系數與銅箔差異較大，使得受熱后銅箔易脫離，集成電路板上插孔內金屬引腳可能拉斷。上述不足制約了PTFE在高速板領域的應用。

為了擴大PTFE的應用，需要對其進行改性。改性研究目前聚焦在3個方向：表面改性、填充改性以及共混改性[20]。

表面改性主要是通過化學處理、離子注入、等離子改性等方式使其表面活化，提高浸潤性來改善粘結性能。李榮等[21]通過低溫等離子體技術將PTFE薄膜與丙烯酸接枝聚合。與原始PTFE膜相比，由于丙烯酸接枝鏈的存在有效改善了PTFE膜的親水性，從而有效地增強了PTFE膜表面與其他材料之間的相容性。

填充改性主要是在PTFE中添加有機或無機填料，以降低其膨脹系數和成本。常用的有二氧化硅、二氧化鈦等，為了增強PTFE的力學性能，也會使用短玻璃纖維與陶瓷粉進行復合填充[22-23]。

共混改性主要是利用聚四氟乙丙烯與PTFE進行共混，可增強CCL剝離強度。張勇等[24]研究了PTFE中聚四氟乙丙烯乳液比例對CCL性能的影響，發現銅箔的剝離強度隨著聚四氟乙丙烯的乳液含量增大而增大[25]。

4.2.2 聚苯醚（PPE）改性研究

PPE是一種耐高溫的熱塑性樹脂，分子鏈中不含強極性基團，介電損耗小且穩定，較適合作為高頻CCL的基體樹脂。聚苯醚的改性是圍繞著將聚苯醚的熱塑性變為熱固性展開的，主要有兩種思路：共混改性與互穿網格技術，一是通過引入一些熱固性樹脂進行改性，另一個是通過引入一些活性基團，使之能發生交聯而成為熱固性樹脂[6]。

GUO[26]等通過將活性烯丙基引入PPE，再加入苯乙烯-乙烯/丁烯-苯乙烯（SEBS）共聚物，利用SEBS出色的介電性能以及與PPE的高相容性作為增韌劑，當重量比為5∶1時，可得到高玻璃化溫度和較高彎曲強度的改性產品。

MENG等[27]研究了聚苯醚與溴化環氧樹脂共混制備高性能CCL，為了增強樹脂間的相容性，向反應體系中加入了相容劑，制備出的產品玻璃化溫度達204℃，介電常數為3.2，各方面性能要好于普通FR-4 CCL。

5 輻射損耗與泄露損耗

輻射損耗是指電路向周圍環境輻射的耗散能。輻射損耗大小取決于電路設計，并與布線方式密切相關。輻射損耗還與頻率、介電常數（Dk）和基板厚度有關。低速低頻下輻射損耗可忽略不計，但在高速高頻下，尤其是電路進入毫米波時，輻射損耗則不可忽略。Rogers公司的JOHN[28]深入研究了輻射損耗與布線的關系。3種不同的PCB布線方式如圖2所示。

圖2 3種常見的PCB結構[28]

微帶線配置通常作為多層PCB電路的外層。帶狀線配置較微帶配置產生的輻射損耗更小。微帶和共面電路易產生輻射損耗是由于傳輸線的電磁場不完全存在于介質中，有一部分在空氣中。而帶狀天線的電磁場則完全在介質中。輻射損耗可以用式（7）和（8）表示。

其中αr、h、λ0和εeff分別代表輻射損耗、基板的厚度、信號的波長和相對介電常數[28]。

從式（7）中可以看出輻射損耗與電路厚度的關系密切。較厚的電路將可能存在更多的輻射損耗。式（7）中αr與λ0的平方成反比，即在更高頻率下的應用會增加輻射損耗。從式（8）可以看出，在所有其他因素不變的情況下，使用具有高介電常數基板的電路將比使用低介電常數基板的電路具有更少的輻射損耗。但較高的DK會使介質損耗增加。因此解決高頻電路下輻射損耗較大的問題通常采用薄化基板的方案，而不會采用較高介電常數基板的方案。

泄露損耗是指PCB板形成微弱的接地電流而產生的損耗，但PCB板的體電阻都很大，干燥環境中，一般不會產生接地電流，所以泄露損耗可以忽略。

6 總結

對于高頻CCL，銅箔的粗糙度對導體損耗有較大影響，需盡量減小粗糙度，同時需要使用表面納米化處理或引入過渡層等方式解決剝離強度下降的問題。

介質損耗主要是由于樹脂中的極性基團在電場作用下產生微觀位移而導致的能量消耗和信號損失。文中給出了3種改性方案，使基板材料不含強極性基團。

高頻狀態下，輻射損耗會被放大，首先不同的電路設計的輻射損耗是不同的，一般帶狀線不會產生輻射損耗。理論上可以通過降低基板厚度和提高介電常數解決。但提高介電常數會使介質損耗增大，那么在保證強度和韌性的前提下，最大限度降低覆銅板厚度可能會成為高頻覆銅板的潛在研究方向。