隨著(zhù)高頻化pcb 技術(shù)與產(chǎn)品占有越來(lái)越重要的地位，高頻PCB板材的發(fā)展也出現了高速化，其中比較重要的一方面就是低介電常數和低介質(zhì)損耗因數的材料的選擇，這是PCB高頻板材實(shí)現高速化，高頻化的重要性能項目。文章針對基板材料的介電常數與介電損耗的關(guān)系加以論述，并對它們與外部環(huán)境的關(guān)系做出相應的闡述，使得在PCB 的制造中對各種基板材料進(jìn)行合理正確的評估和使用。

前言

目前已經(jīng)商品化的高頻板材主要有三大類(lèi)[1] [2]：聚四氟乙烯（PTFE）板材；熱固性 PPO（Polyphenyl Oxide）；交鏈聚丁二烯基板和環(huán)氧樹(shù)脂復合基板（FR-4）。PTFE 基板具有介電損耗小，介電常數小且隨溫度和頻率的變化小，與金屬銅箔的熱膨脹系數接近等優(yōu)點(diǎn)[3] [4]，從而得到了廣泛的應用。PTFE 與玻璃纖維、陶瓷搭配制備的基板，例如：RO3200，RO3210，RO4003 等系列已經(jīng)能夠滿(mǎn)足介電常數 2.2~10.8，工作頻段為 30 MHz~30 GHz 的要求[5]。雖然，PTFE 微波板制造發(fā)展迅猛，但與之相適應的工藝是由傳統的 FR-4 印制電路制造工藝改進(jìn)而成[6]?，F在電子信息產(chǎn)品特別是微波器件的高速發(fā)展，集成度極大的提高和數字化、高頻化、多功能化和在特殊環(huán)境中應用等要求已經(jīng)向一般的 PTFE 高頻板以及制造工藝提出了挑戰。對于微波 PCB 的高速、高頻化的特性, 主要是通過(guò)兩方面的技術(shù)途徑：一方面是使這種發(fā)展成為高密度布線(xiàn)微細導線(xiàn)及間距、微小孔徑、薄形以及導通、絕緣的高可靠性。這樣, 可以進(jìn)一步縮短信號傳輸的距離, 以減少它在傳輸中的損失。另一方面, 要采用具有高速、高頻特性的用基板材料。而后者的實(shí)現, 是要求業(yè)開(kāi)展對這類(lèi)基板材料比較深入的了解、研究工作找出并掌握準確控制的工藝方法, 以此來(lái)達到所選用的基板材料與的制造工藝、性能及成本要求能夠實(shí)現合理匹配的目的。

在高頻電路中,信號傳輸速度可以表示為：

可以看出，基板介電常數越低，信號傳播得越快，因此要得到高的信號傳輸速率，就必須研究開(kāi)發(fā)低介電常數的基板材料。

介電常數除了直接影響信號的傳輸速度以外，還在很大程度上決定特性阻抗，它可以表示為

可以看出，影響特性阻抗的主要因素是: （1）基板的介電常數 ε r；（2）介質(zhì)厚度h ； （3）導線(xiàn)寬度w ；（4）導線(xiàn)厚度t 等?；褰殡姵翟叫?，特性阻抗就越大。

在高速電路中需要高的特性阻抗值，必須研究開(kāi)發(fā)低介電常數的材料。同時(shí)為了實(shí)現高速數字電路 PCB 中的阻抗連續穩定，要求基板材料有穩定的介電常數.

1 PCB 上的信號傳輸損失與高頻板材性質(zhì)的關(guān)系

導體電路上的傳輸損失中的介質(zhì)損失是主要受到基板材料絕緣層的介電常數（ ε r）、介質(zhì)損失因數（tan δ ）所支配的。對傳輸損失的影響與 ε r、tan δ 的大小成正比, 并與介質(zhì)工作時(shí)的頻率大小相關(guān)。在同一 ε r或 tan δ 下, 頻率越高, 其傳輸損失就越大,圖 1 表示了上述關(guān)系。

隨著(zhù)頻率增加, 基板中的損耗不能再忽略不計,信號的傳播損耗或衰減可以表示成 ：

可以看出，基板 tan δ 越小，信號傳播的衰減越小。因此在高頻電路基板材料的選擇或者研究開(kāi)發(fā)時(shí),要求其具有較低的 ε r 和 tan δ 。另外還要綜合考慮其他因素：如熱能、機械性能、吸水性等。

基板材料所用樹(shù)脂的 ε r 值和 tan δ 值的高低，主要受到樹(shù)脂結構本身的極化程度大小。極化程度愈大，介電常數值就愈高。為此,消除或降低樹(shù)脂中的易極化的化學(xué)結構，來(lái)達到有效的降低基板材料 ε r，tan δ 值的目的，這已經(jīng)成為這類(lèi)基板材料提高此項特性的重要途徑。由此也看出，一種高速高頻化基板材料的特性好壞，它所用的樹(shù)脂種類(lèi),更具體的講它所用樹(shù)脂的分子組成結構，是相當關(guān)鍵、重要的。

2 樹(shù)脂的改性

對高頻PCB板材的研究通常從下面幾個(gè)方面進(jìn)行：對樹(shù)脂和玻纖及整體結構的改進(jìn)，通過(guò)布線(xiàn)或其它方式改進(jìn)基板特性。同時(shí)在這些研究中，高頻下介電常數的測量起著(zhù)很重要的作用，有的學(xué)者還提出了復合材料中介電常數計算的理論模型。

由于環(huán)氧樹(shù)脂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(huán)氧樹(shù)脂中加入雙鍵結構，使樹(shù)脂分子不易旋轉；或引入占有空間體積較大的基團或高分子非極性樹(shù)脂等方法，降低極性基團的含量，提高其介電性能。

2.1 聚苯醚改性環(huán)氧樹(shù)脂

使用改性聚苯醚對環(huán)氧樹(shù)脂進(jìn)行改性[7]，聚苯醚（PPO）分子結構中含有重復的苯環(huán)與醚鍵，且具有對稱(chēng)結構，在大分子中沒(méi)有強極性基團，電氣絕緣性能優(yōu)良。改性聚苯醚（MPPO）在保持 PPO的電氣特性的同時(shí)，改善了 PPO 的加工性能。在保證環(huán)氧覆銅板基本阻燃性和力學(xué)性能的基礎上，利用 ε r只有 2.45 的 MPPO 摻混改性環(huán)氧體系，形成半互穿網(wǎng)絡(luò )結構，提高改性環(huán)氧覆銅板的介電性能，達到降低 ε r和 tan δ 的目的。MPPO 含量對基板 ε r、tan δ 的影響如圖 2 所示。由圖 2 可知，隨著(zhù) MPPO 含量的增加，覆銅板的 ε r和 tan δ 都減小，表明 MPPO 的添加對環(huán)氧樹(shù)脂的絕緣特性確實(shí)有所改善，但是由于工藝條件較為苛刻，穩定性欠佳，該技術(shù)離工業(yè)化大生產(chǎn)還有一定距離，有待改進(jìn)與提高。另外通過(guò) PPO 改性溴化環(huán)氧樹(shù)脂（BEP），使其耐熱性能得到了改善，介電常數降低到3.2，而其阻燃性能較佳，其它各項性能均有不同程度的提高。

2.2 氰酸酯改性環(huán)氧樹(shù)脂

環(huán)氧樹(shù)脂在固化反應過(guò)程中，可在交聯(lián)點(diǎn)間生成含有 OH 等極性基團，它們對介質(zhì)的 ε r和 tan δ均有強烈影響。tan δ 與 OH 含量的關(guān)系如圖 3 所示[11]。從圖 2 中可知，降低交聯(lián)點(diǎn)間極性基團的濃度，可以降低 tan δ 。在不減少環(huán)氧樹(shù)脂體系交聯(lián)密度的前提下，降低體系中 OH 的含量，許多學(xué)者對此進(jìn)行了大量的研究工作。在樹(shù)脂體系中加入氰酸酯，可降低樹(shù)脂固化體系中 OH 的濃度，同時(shí)改善樹(shù)脂體系的交聯(lián)密度[12]，提高了體系固化物的玻璃化轉變溫度，這也是 PCB 基板所需要的。

2.3 聚四氟乙烯

聚四氟乙烯（PTFE）是一種超高分子量的聚合物，其分子結構為四個(gè)完全對稱(chēng)的取向氟原子中心連接一個(gè)碳原子，因而極性極低， ε r只有 2.0（1 MHz），加上 C-F 鍵的鍵能很高，其耐熱性好。具有優(yōu)良的電氣性能、耐化學(xué)腐蝕、耐熱、使用溫度范圍廣、吸水性低，高頻率范圍內 ε r、tan δ變化小，非常適用于作為高速數字化和高頻的基板材料。胡福田等[13]人的研究表明，在 PTFE 和玻璃纖維布組成的復合材料中，PTFE 樹(shù)脂含量與介電常數、介質(zhì)損耗因數的影響分別如圖 3、圖 4 所示。由圖 3 可知，其 ε r隨 PTFE 樹(shù)脂重量百分數的增加而減少，樹(shù)脂重量百分數在 72%時(shí)得到 ε r為2.6 的產(chǎn)品。由圖 5 可知，tan δ 隨樹(shù)脂含量增加有一個(gè)顯著(zhù)減少的過(guò)程。PTFE 的熱膨脹系數相對高，質(zhì)地柔軟，其機械性能差，尺寸穩定性較差，價(jià)格昂貴，加工要求苛刻，不適合普及使用。

2.4 氰酸酯樹(shù)脂

氰酸酯樹(shù)脂具有優(yōu)異的電絕緣性能、耐高溫性能、高尺寸穩定性和低吸水率，可用作高性能復合材料的基體樹(shù)脂，是一種理想的高頻印刷電路板樹(shù)脂基體。王結良等人的研究表明，采用有機錫催化劑固化得到的氰酸酯樹(shù)脂基固化樹(shù)脂及其復合材料具有低 ε r和低 tanδ，力學(xué)性能非常出色;同時(shí)還發(fā)現復合材料表現出與固化樹(shù)脂相似的耐水煮和耐濕熱老化性能，是一種優(yōu)異的高頻印刷電路板樹(shù)脂體系[14]。但是交聯(lián)密度大及高結晶度而引起的韌性較差?？衫秒p馬來(lái)酰亞胺樹(shù)脂（BMI）和CE 得到共聚物 BT 樹(shù)脂，在其他性能保持不變的前提下改善其韌性。

3 玻纖的改性

玻纖增強材料是復合材料中力學(xué)強度的主要承擔者，一般來(lái)說(shuō)其介電常數高于樹(shù)脂基體，又在復合材料中占有較高的體積含量，因此是決定復合材料介電性能的主要因素[15]。目前，世界各國生產(chǎn)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、Al2O3、CaO 三元系統，重量百分比在小范圍內波動(dòng)[16]。常溫下構成玻璃網(wǎng)絡(luò )的硅氧或硼氧、鋁氧骨架無(wú)弱聯(lián)系離子幾乎不導電。但是網(wǎng)絡(luò )中充填了陽(yáng)離子，特別是堿金屬離子時(shí)，點(diǎn)陣結構在堿金屬離子處中斷，形成弱聯(lián)系離子，產(chǎn)生熱離子極化。這是影響玻璃介電性能的主要因素。目前通常采用的是無(wú)堿玻纖 E 玻纖，其介電常數為 7.2 (1 MHz)，不能滿(mǎn)足高頻電路的要求。首先可以采用的辦法是混雜。在無(wú)堿玻纖中，除了 E 玻纖外，還有介電性能優(yōu)秀的 D 玻纖（ ε r= 4.7，1M Hz）和 Q 玻纖（ ε r= 3.9，1M Hz），但是它們加工性能和成本較高，單獨使用并不合適。通過(guò)對不同品種的玻纖進(jìn)行合理的選配，要求既保證優(yōu)良的低介電性能、加工性能，又能很好地解決工業(yè)化生產(chǎn)的成本問(wèn)題。

4 基板材料的整體改進(jìn)

除了對基板本身材料的改性外，還可以通過(guò)改進(jìn)基板整體結構，調整多層介質(zhì)的分布，改善其介電性能。合理調整多層介質(zhì)的分布，可以在減小成本的前提下提高基板的介電性能。

如圖 6 所示，是一種常用的四層混合介質(zhì)布層方法。其中，外層（頂部和底部）是低介電常數和低介質(zhì)損耗因數的高頻介質(zhì)。這種結構可以很好的控制阻抗，信號損失也很?。s為 FR-4 的1/10），信號傳播速度比 FR-4 快 10%。而且，大部分材料都是廉價(jià)的介質(zhì)，根據高頻材料和中間FR-4 的比值不同，這樣的設計最多可以使總成本降低 25%。在幾 GHz 的范圍內經(jīng)常使用這種結構，此時(shí)頂部和底部不一定要求為熱固性塑料，只要能與 FR-4 粘結的高頻材料就可以使用。圖 7 所示的是四層混合介質(zhì)帶狀線(xiàn)布層，多用于數字電路。這種結構除了具備圖 6 所示結構的優(yōu)點(diǎn)外，還具有串音和電磁干擾更低的優(yōu)點(diǎn)。另外還可以在 PCB 的制造過(guò)程中控制阻抗:由于內層的制造過(guò)程是“印刷和腐蝕”而不是制造外層時(shí)所需要的“印刷、制版和腐蝕”，所以可以精確控制傳輸線(xiàn)的寬度，控制阻抗。但是這種結構通常只適用于數字電路，因為數字器件具有更好的抗噪聲能力，可以承受一定的阻抗不連續。

5 結論

從理論和實(shí)踐中感悟到，在選擇用于高頻電路的所用的基板材料時(shí)，對基板材料的特性要求要特別注重考察它的 tan δ ，在不同頻率下的變化特性如何。而對側重于信號高速傳輸方面的要求，或對側重于具備有特性阻抗高精度控制要求時(shí)，則應該重點(diǎn)考察所用的基板材料的 ε r 特性及其它在頻率、濕度、溫度等條件變化下的性能情況。國內外學(xué)者們也從不同的方面對這個(gè)問(wèn)題進(jìn)行了深入的研究:包括對環(huán)氧樹(shù)脂的改性、換用其它樹(shù)脂體、混雜玻纖、使用空心玻纖、適當布置多層結構、合理布線(xiàn)、采用嵌入無(wú)源元件等，都可以在某種程度上改善高頻PCB板材的特性。但要得到一個(gè)普遍使用的方案，還需要進(jìn)一步研究。另外，高頻下介電性能的測量也是學(xué)者們研究的熱點(diǎn)，還有的學(xué)者從理論上得到混合物介電常數的估算模型，這些對高頻PCB板材的改性都有很重要的意義。

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