全球PCB用高频/高速覆铜板的迅速发展

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  一、前言
  随着信息技术的革命,数字电路逐渐步入信息处理高速化、信号传输高频化阶段,为处理不断增加的数据,电子设备的频率变得越来越高,这时基板的电性能将严重影响数字电路的特性,因此对印制线路板(PCB)基板的性能提出了更新的要求。所应用的PCB上的信号必须采用高频,减少在PCB上的传输损耗和信号延时成为高频线路的难题。
  高频/高速覆铜板主要解决普通覆铜板在通信中微波及毫米波等领域传输性能不稳定及损耗大的高频特性缺陷。信息技术的发展和通讯产品走向大众,使频率资源使用缺乏,通信传输频率在不断向高端发展,对高性能的覆铜板也提出更高的要求,高频/高速覆铜板市场会随着电子技术和通讯的迅猛发展而得到急速的扩大,是新兴的朝阳产业。系统操作速度持续增加,为策应更快的互联网连线、视频点播、移动通讯消费需要,因此,新的高性能PCB基板材料需解决较高操作频率的信号完整性问题,通常称为低介电常数(low Dk)和(或)低介质损耗角正切(low Df)材料。一般而言,对应不同的频带对覆铜板有不同的要求。
  高频印制电路板应用如表1所示,对于高频/高速基板材料的基本特性必须达到以下两个要求:(1) 介电常数(Dk)必须小而且很稳定,通常是越小越好,信号的传送速率与材料介电常数的平方根成反比,高介电常数容易造成信号传输延迟。(2) 介质损耗(Df)必须小,这主要影响到信号传送的品质,介质损耗越小使信号损耗也越小。
  二、全球高频/高速覆铜板的市场驱动
  高频/高速覆铜板的市场,主要由以下三个因素驱动:
  (1) 民用的高频通信事业高速发展。通信业的快速进步,使原有的民用通信频段显得非常拥挤,某些原军事用途的高频通信的部分频段从21世纪开始逐渐让给民用,使民用高频通信获得了超常规的迅速发展。高频通信在卫星接收、基站、导航、医疗、运输、仓储等各个领域大显身手。
  (2) 终端电子产品的高保密性,高传送质量的强烈需求。移动电话、汽车电话、无线通信出于高保密性,高传送质量需要向着高频化发展。高画面质量,要求广播电视传输用甚高频、超高频播放节目。高信息量传送信息,要求卫星通信、微波通信、光纤通信必须高频化。
  (3) 计算机技术处理能力增加,信息存储容量增大,迫切要求信号传送高速化。全球各主要厂家生产的特殊树脂基覆铜板的主要产品型号见表2,2012年全球刚性覆铜板不同种类的发展见图1,特殊覆铜板(包括高频覆铜板和封装基板)产值13.58亿美元,占刚性覆铜板的14.2%。2012年全球主要特殊覆铜板厂商见图2。
  三、 高频/高速覆铜板的设计思路
  我们知道:传输损耗=介质损耗(ad)+传输损耗(ac)。
  Dk :介电常数, Df :介质损耗角正切
  f : 频率, c : 光速
  Rs :导体表面电阻
  ρ : 导体电阻率, b : 介质厚度
  w : 导线宽度,
  t : 导线厚度
  减少介质损耗(ad)的方法——需要低Dk & Df的树脂技术;
  减少传输损耗(ac)的方法——需要高粘接技术(树脂与铜箔之间具有很低表面粗糙度)。
  四、高频/高速覆铜板用原材料对其性能的影响
  影响高频/高速覆铜板性能的主要影响因素包括:树脂,铜箔,增强材料,树脂含量,应用频率,温度和湿度,高频/高速覆铜板的设计见图3,下面介绍日矿高频用电解铜箔和日东纺的NE-玻璃布。
  日矿是PCB铜箔材料的领导大厂,其产品走向以薄型化、细线化、高密度、3D成型 、高挠曲、高频率等机能性为主要诉求。由于高频信号在传送时会有集肤效应(Skin Effect),亦即信号传输会集中在导体(铜线路)的表层,如果导体表层粗糙度太大,会导致高频信号传输时产生传输损失,使信号强度衰减或失真,称之为导体传输损失(Conductor Loss),见图4,日矿高频用电解铜箔的高频传输特性见图5,松下电工采用不同铜箔的覆铜板的传输损耗比较见图6。
  玻纤增强材料是复合材料中力学强度的主要承担者,一般来说其介电常数高于树脂基体,又在复合材料中占有较高的体积含量,因此是决定复合材料介电性能的主要因素。近年来国内外专家成功开发一种新型的E玻纤布——NE玻纤布,它的介电常数(DK=4.4)低于E型玻纤布(Dk=6.6),其特性如表3所示,而且其他性能近似于E玻纤布。使用NE玻纤布可以进一步降低材料的介电常数,NE玻纤布目前也只有几家在进行生产,价格昂贵。玻璃布的传统处理和SS处理的差别见图7,松下电工的研究者介绍,在15GHz两种玻璃布的传输损耗(其它组成相同)相差4dB/m。见图8。
  五、主要生产厂商推出的最新高频/高速覆铜板介绍
  电子信息产品的高频化、高速化对印制线路板提出了高频特性的要求。在这个背景下,高频特性的基板材料产品市场及产品制造技术水平,也在近年得到非常明显的发展。在近一两年内,我们可看到,无论在与PCB、CCL相关的国内外学术讨论会发表的论文上、还是在国内外PCB方面展览会上展出新型CCL产品中,高频、高速化CCL成为了基板材料开发与市场方面的最热门话题。
  5.1 日立化成的发展战略
  2012年,全世界刚性覆铜板总产值95.52亿美元,其中日立化成4.40亿美元,占4.6%,名列全球第9位。日立化成高速/高频PCB用基板材料路线图见图9,日立化成低损耗覆铜板系列见图10,近来,日立化成开发出了适用于高GHz频段的高速/高频应用的低传输损耗多层板材料MCL-LW-900G,MCL-LW-900G采用新的树脂技术,Df低于PTFE,具有高Tg、低CTE、高耐热性,以及优异的耐CAF性能,同时,钻孔加工性几乎与FR-4相似。MCL-LW-900G为日立化成最新推出的高频用覆铜板。   5.1.1 MCL-LW-900G的性能特点和绝缘可靠性(CAF评估)
  在电子信息产品飞速发展的今天,PCB的发展和应用对基板材料提出了相应的要求:
  -PCB高速&高频——要求基板材料低Dk&低Df;
  -PCB高可靠性——要求基板材料耐CAF;
  -PCB高层数c要求基板材料高Tg,低Z-CTE;
  -PCB环境友好——要求基板材料无卤阻燃,适应无铅焊接加工。
  PCB基板材料的设计是一个系统工程,牵涉到方方面面的性能平衡,MCL-LW-900G能够统筹兼顾。MCL-LW-900G的基本性能见表4,可见,MCL-LW-900G具有低CTE、高耐热性、优秀介电性能。当采用NE(低Dk)玻璃布的时候,MCL-LW-900G的介电常数和介质损耗角正切将更加优秀。
  随着集成电路和微电子技术的飞速发展,电子产品的体积越来越小,PCB也向更轻、薄、短、小发展。层间介质层厚度更薄,布线更密,孔壁间距更小,并且在进一步微小化中。在这样的层间、布线、孔密度下,PCB的绝缘性能受到越来越多的关注。如何在这样微细的产品上,保持其在整个寿命周期内的绝缘性能,是业内所有PCB制造商所面临的问题之一。导电阳极丝(CAF)是近十年来十分热门的绝缘劣化失效,当PCBA在高温高湿的环境下带电工作时,在两绝缘导体间有可能会产生沿着树脂和玻纤的界面生长的CAF,最终导致绝缘不良,甚至短路失效。
  CAF试验是把特制的CAF试验样板在高温高湿条件下放置500-1000小时,并施加偏置电压,以加快离子迁移并促进在PCB测试样板中CAF的形成。
  为了确定离子迁移和CAF成形在何处发生,需要定期举行电阻测量,从而探测两个原定绝缘的导体图形精确的电流移动,测试通常在相邻通孔之间进行,但是测试也常常在孔-电路、电路-电路、层-层进行。CAF的形成要求一条电流移动的通道和电解质(通常是溴化物或氯化物)的存在,从而让铜细丝能够形成,在通常的表面电化学迁移的形成中,金属离子从电路的阳极流出,往阴极流动,然后在阴极累积,并往阳极方向生长。在CAF的形成中,金属直接从阳极往阴极方向生长,因为离子移动的通道通常非常紧缩,常规类型的生长不可能出现。CAF的生长是一个多重步骤、有序的过程,这个过程由以下组成:(1)通道的形成,(2)沿着通道的离子的迁移,(3)实体铜丝的生长。
  首先,在PCB内部绝缘导体之间必须生成或存在一条通道。通常来说,这条通道沿着连接导体的玻璃纤维发生。离子迁移通常不会发生在树脂中,因为纯树脂是一种非常好的电气绝缘体。树脂结构中的添加物和填料可能会降低树脂的绝缘性能,可以在沿着与树脂的界面创造通道形成的机会。树脂与玻璃纤维的分离可以是由于树脂与玻璃纤维的不完全浸润造成、或树脂与玻璃纤维束之间缺乏流动造成。由于热感应、机械和/或化学应力,树脂与玻璃纤维之间的分离也可以由于PCB和/或PCBA的生产工艺造成。
  第二个通道是离子沿着这条通道从测试电路的一头往另一头迁移。首先,迁移量可能很小,但是,一旦有足够的离子,测试电路中的电阻就会出现很大的下降。这条通道中的电流移动触发了铜细丝从阳极开始生长。一旦这个生长完成,电路短路(CAF失效)就发生了。但是,在很多情况下,在CAF完全形成前,我们实际上会发现电阻大幅下降以及电路失效,这显示了电失效不需要CAF铜丝的完全形成,它仅需要发生足够的离子迁移来造成绝缘电阻的不可接受下降,从而形成电路失效。这对解读CAF测试数据有很大的影响。因此,造成电路的失效并不需要实体的铜细丝的形成,仅需要电阻的严重下降就可以了。一旦样品比初始值降低了一个数量级,就可以比较肯定地判断测试电路中存在离子迁移或CAF发生,测试之后电阻的“恢复”可能会发生,很多人因此很困惑,所以本应该不合格的数据(开始时电阻出现一个数量级的下降)也被合格了。测试样品干燥到室温后的电阻恢复,说明了导体之间没有形成一条完整的永久性的CAF细丝,仅是在湿度条件下离子出现了移动,而样品在干燥后离子活动率就大幅下降了。
  在PCB内部CFA或离子迁移失效有四种可能的模式:(1)内部通孔与通孔的失效;(2)内部线路到线路的失效;(3)内部通孔到线路或到层的失效;(4)内部层到层的失效。见图11。最常见的CAF失效模式发生在通孔与通孔壁之间。这一CAF失效模式是玻璃纤维直接连接了两个通孔,从一个铜孔到另一个铜孔之间形成一条直行通道的结果。图11的4张图给出了CAF完整的图示。
  测量条件一
  / 评估板:厚0.8mm(Cu:18 μm)/ 2层PCB
  / 孔径:Φ0.15 mm / TH-TH 间距:0.2 mm
  / 预处理条件:85 ℃/85%RH/ 120 h +再流焊(峰温260 ℃)×8次
  / 测试条件:HAST(130℃/ 85% RH),DC 5.5V
  根据图12可以发现,MCL-LW-900G具有很好的耐CAF性能和钻孔加工性能。
  测量条件二(见图13)
  / 板厚:2.0 mm
  / T/H 间距:0.8 mm,壁距: 0.5 mm,2,000孔
  / 预处理:255℃×8次
  / CAF测试:85℃/85 %RH,DC 100V
  5.1.2 日立化成的中-损耗MCL-HE-679G(S)介绍(一般性能见表5)
  日立化成的无卤素高频对应材料MCL-HE-679G(S)荣获第9届JPCA奖。颁奖仪式于2013年6月5日(周三)下午15时在东京国际展览中心GALLERIA的JPCA奖(赏)展示区隆重举行。创设“JPCA奖(赏)”的目的在于,表彰对电子电路技术、产业进步发展做出显著贡献的产品与技术。   由一般社团法人日本电子电路工业会主办并运营的JPCA Show 2013/大型电子工学展2013/2013微型电子工学展/JISSO PROTEC 2013共同企划,以参展商产品技术研讨会“NPI(New Product Introduction)演讲”发言人为对象,经由经验丰富的专业人士、报刊杂志编辑等组成的评选委员会细致评估,以产品、技术的独创性(独特性、原创性),产业界的发展性、未来性,可靠度时代适合性,表现形式(表现合理、记述简洁明了)等内容为评估标准。至此,日立化成已第5次荣获该项大奖。
  MCL-HE-679G(S)的耐热评估如下:
  < 评估条件 >
  / 测试样板:厚2.47 mm/20层PCB
  / 孔径:Φ0.25 mm (孔距:0.8 mm)
  / 预处理条件:85℃/85% RH/120 h +再流焊峰温260 ℃ × 10次
  结果:通过。见图14。
  5.2 松下电工高频/高速覆铜板MEGTRON6 R-5775(N)介绍
  松下电工在通信、网络设备用最高性能基板材料产品群中,高频性能及耐热性能最顶尖的CCL品种是MEGTRON6 R-5775(N)(在2012年间投入市场)。此种基板材料在世界同类树脂制成的具有高频性CCL中也达到了最高级水准。R-5775(N)的介电性能和耐热性能比较见图15,R-5775(N)的传输损耗比较见图16,R-5775(N)的一般性能见表6。
  5.3 斗山电子高频/高速覆铜板介绍
  斗山电子是韩国最大的覆铜板厂商,2012年覆铜板产值名列全球第8位。全球市场占有率4.8%。高频覆铜板系列产品很丰富,见表7,斗山7409D(V)的一般性能见表8,斗山高频/高速覆铜板的插入损耗比较见图17。
  5.4 ISOLA的高频/高速覆铜板介绍
  ISOLA作为全球生产覆铜板的老牌帝国,高频/高速覆铜板系列有不同等级,种类丰富,近几年推出了很多新型号,见图18,ISOLA高频/高速覆铜板同类产品比较见图19,ISOLA高频/高速覆铜板的Dk比较见图20,ISOLA高频/高速覆铜板的Df比较见图21。
  六、结束语
  民用高频通信大大发展,在远距高通信、导航、医疗、运输、交通、仓储等各个领域大显身手,同时高保密性、高传送质量,使移动电话、汽车电话、无线通信向高频化发展,使用频率从MHz向GHz频段转移,信息传送进人高频领域。电子信息产品高频化、高速化对印制板的高频特性提出了更高的要求。
  近年,伴随信息化社会的高度发展,信息通讯技术与信息处理技术的发展日新月异。人们对路由器、服务器等信息设备进一步提出高速处理化、大容量化的要求。行业内一些覆铜板大厂正在加紧对覆铜板高频化和高速化的布局。
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