高頻高速板材材料介紹

一、高頻高速板材材料介紹
在選擇用於高頻電路的PCB所用的基板時，要特別考察材料DK，在不同頻率下的變化特性。而對於側重信號高速傳輸方面的要求，或特性阻抗控制要求，則重點考察DF及其在頻率、溫溼度等條件下的性能。
一般型基板材料在頻率變化的條件下，表現出DK、DF值變化較大的規律。特別是在l MHz到l GHz的頻率內，它們的DK、DF值的變化更加明顯。例如，一般型環氧樹脂一玻纖布基的基板材料(一般型FR-4)在lMHz的頻率下的DK值為4．7， 而在lGHz的頻率下的DK值變化為4.19。超過lGHz以上，它的DK值的變化趨勢於平緩。其變化趨勢是隨著頻率的增高，而變小(但變化幅度不大)， 例如在l0GHz下，一般FR一4的DK值為4．15，具有高速、高頻特性的基板材料在頻率變化的情況下，DK值變化較小，自lMHz到lGHz的變化頻 率下，DK多保持在0.02範圍的變化。其DK值在由低到高不同頻率條件下，略微有下降的趨向。
一般型基板材料的介質損失因子(DF)，在 受到頻率變化(特別是在高頻範圍內的變化)的影響而產生DF值的變化要比DK大。其變化規律是趨於增大，因此，在評價一種基板材料的高頻特性時，要對其考 察的重點是它的DF值變化情況。具有高速高頻特性的基板材料，在高頻下變化特性方面，一般型基板材料存在著兩類明顯的不同的兩類：一類是隨著頻率的變化， 它的(DF)值變化甚小。還有一類是在變化幅度上與一般型基板材料儘管相近，但它本身的(DF)值較低。
二、高頻高速基板玻纖布介紹
玻 纖增強材料是複合材料中力學強度的主要承擔者，一般來說其介電常數高於樹脂基體，又在複合材料中佔有較高的體積含量，因此是決定複合材料介電性能的主要因 素。在FR-4覆銅板生產中，一直沿用傳統的E-玻纖布，雖然E-玻纖布的綜合性能好，性能價格比較理想，但介電性能欠佳、介電常數偏高(6．6)，影響 了它在高頻高速領域中的推廣應用。
目前，世界各國生產的硅酸鹽成分的玻璃纖維織物組成大體相同，其基礎成分都是SiO2、A1203、 CaO三元系統，重量百分比在小範圍內波動。常溫下構成玻璃網絡的硅氧或硼氧、鋁氧骨架無弱聯繫離子幾乎不導電。但是網絡中充填了陽離子，特別是鹼金屬離 子時，點陣結構在鹼金屬離子處中斷，形成弱聯繫離子，產生熱離子極化。這是影響玻璃介電性能的主要因素。目前通常採用的是無鹼玻纖E玻纖，其介電常數為 7．2(1 MHz)，不能滿足高頻高速電路的要求。
首先可以採用的辦法是混雜。在無鹼玻纖中，除了E玻纖外，還有介電性能優秀的D玻纖 (DK=4．7，l MHz)和Q玻纖(DK=3．9，l MHz)，D玻璃纖維和Q玻璃纖維，雖然具有優秀的介電性能，但存在著兩大缺點：（1）機械加工性差，對鑽頭磨損大（2）成本高，相當E玻璃布10倍以上 的價格，單獨使用並不合適。通過對不同品種的玻纖進行合理的選配，要求既保證優良的低介電性能、加工性能，又能很好地解決工業化生產的成本問題。
三、高頻高速基板填料介紹
基板材料製造中的填充材料，是指基板材料組成中除增強纖維材料外，作為樹脂填料的化工材料。填充材料在整個基板材料用樹脂中所佔的比例、品種、表面處理技術等，都對基板材料的介電常數有所影響。
無機填料中較常使用的有：滑石粉、高嶺土、氫氧化鎂、氫氧化鋁、硅微粉與氧化鋁等。填料的加入，可以有效降低產品的吸溼性，從而改善板才的耐熱性，同時，還可以降低板材熱膨脹係數。
填料在選用時還要考慮填料的耐熱性、粒徑分佈、硬度、是否表面處理、使用分散性等因素。在此方面，日立化成開發並應用了新型界面控制體系工藝技術，它使得填料與樹脂之間的界面，達到高分散、高粘接的作用。克服了填料在樹脂中會出現凝聚、分散性低、板成型後出現空隙等問題。
四、高頻高速基板樹脂介紹
玻纖增強材料是複合材料中力學強度的主要承擔者，一般來說其介電常數高於樹脂基體，又在複合材料中佔有較高的體積含量，因此是決定複合材料介電性能的主要因素。在FR-4覆銅板生產中，一直沿用傳統的E-玻纖布，雖然E-玻纖布的綜合性能好，性能價格比較理想，但介電性能欠佳、介電常數偏高(6．6)，影響了它在高頻高速領域中的推廣應用。
目前，世界各國生產的硅酸鹽成分的玻璃纖維織物組成大體相同，其基礎成分都是SiO2、A1203、 CaO三元系統，重量百分比在小範圍內波動。常溫下構成玻璃網絡的硅氧或硼氧、鋁氧骨架無弱聯繫離子幾乎不導電。但是網絡中充填了陽離子，特別是鹼金屬離子時，點陣結構在鹼金屬離子處中斷，形成弱聯繫離子，產生熱離子極化。這是影響玻璃介電性能的主要因素。目前通常採用的是無鹼玻纖E玻纖，其介電常數為 7．2(1 MHz)，不能滿足高頻高速電路的要求。
氰酸酯(CE)樹脂是20世紀70年代後期發展起來的一種高性能樹脂基體，CE樹脂在 熱或催化劑作用下，發生環化三聚反應形成含有三嗪環的高交聯度的網絡結構大分子。固化的CE樹脂具有許多優異性能：低的介電係數(2．8-3．2)和極小的介電損耗角正切值(0．002～0．008)；高的耐熱性(Tg為240℃-290℃)；低的吸溼率(<1．5％)；小的熱膨脹係數；優良的力學性能和粘結性能。但CE樹脂韌性較差，固化溫度過高。
採用雙馬來酰亞胺樹脂改性CE樹脂，是CE樹脂改性應用於高頻覆銅板最成功的例子，通常將其稱為BT樹脂。
傳統環氧樹脂由於本身具有含量較大的極性基團，介電性能較差，通常的改性方法有：增加支鏈數，增大材料的自由體積，降低極性基團的濃度；在環氧樹脂中加入雙 鍵結構，使樹脂分子不易旋轉；或引入佔有空間體積較大的基團或高分子非極性樹脂等方法，降低極性基團的含量，提高其介電性能。