高频基板发展(dk df)

高频基板材料之最新发展

1、前言

随着信息科学技术的飞速发展，具有高速信息处理功能之各种电子消费产品已成为人民日常生活中不可缺少的一部分，从而加快了无线通讯和宽频应用工业技术由传统的军用领域向民用的消费电子领域转移之速度，由于消费电子市场需求强劲，且不断提出更高的技术要求，如信息传递高速化、完整性及产品多功能化和微型化等，从而促进了高频应用技术之不断发展。特别是覆铜箔基板材料技术，传统FR-4之DK和Df相对较高，即使通过改善线路设计也无法完全满足高频下的信号高速传递且信号完整之应用需求，因为高DK会使信号传递速率变慢，高Df会使信号部分转化为热能损耗在基板材料中，因而降低DK/Df已成为基板业者之追逐热点，各种降低DK/Df之新技术和新型基板产品也不断地涌现出来，同时不断地被PCB业者和终端厂商所接收和否定(某些应用领域的否定)。以下就本人对业界高频基板材料技术之发展的理解作一简单的介绍，同时就我司的新型高频基板材料作简要之介绍与讨论。

2、介电常数(DK)和损耗因子(Df)

2.1定义

介电常数(ε，εr，DK，以下均用DK表示)的定义方式繁多，但常见定义为:含有电介质的电容器的电容C与相应真空电子容器的电容之比为该电介质的介电常数。(电介质的电容电荷示意图如下图1)

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从介电常数的定义可知，如果电介质的极化程度越高，则其电荷,值越高，即DK越高，说明DK是衡量电介质极化程度的宏观物理量，表征电介质贮存电能能力的大小，从而也表征了阻碍信号传输能力的大小。

损耗因子(tanδ，Df，也叫介质损耗因素，介质损耗角正切，以下均用Df表示)一般可定义为:绝缘材料或电介质在交变电场中，由于介质电导和介质极化的滞后效应，使电介质内流过的电流相量和电压相量之间产生一定的相位差，即形成一定的相角，此相角的正切值即损耗因子Df，由介质电导和介质极化的滞后效应引起的能量损耗叫做介质损耗，也就是说，Df越高，介质电导和介质极化滞后效应越明显，电能损耗或信号损失越多，是电介质损耗电能能力的表征物理量，也是绝缘材料损失信号能力的表征物理量。

2.2基板材料DK和Df之影响因素

在高频应用中，PCB使用之基板材料的介电性能对信号的传输速度和完整性产生直接的影响，在讨论如何降低DK/Df以更好地符合高频应用前，先对基板材料DK/Df之影响因素进行讨论:基板材料DK/Df之影响因素较多，主要有如下几方面:树脂、玻璃布类型、树脂含量、环境温度和湿度及应用频率等，下面就以上影响因子进行详细分析。

2.2.1树脂结构特性

因基板之绝缘部分是由树脂和玻璃布组成，玻璃布的DK较高(E-glass6.6，NE-Glass4.6)，因而实现较低的DK，必须选择较低DK之树脂。树脂的DK/Df主要与树脂的纯度、吸水率及树脂分子结构此三方面有关，当然此三方面也相互影响。一般来讲，树脂中游离的离子会使树脂的吸水

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率提高，由于水的DK达到70，吸水率的提高会使树脂的DK升高，同时会在高频下易形成离子极化而增加极化程度，也使DK升高，同时Df也会相应提高。至于吸水率，与树脂本身分子结构相关，一般来说，分子结构之极性越低，其吸水率越低;另其固化后的交联密度越大，其吸水率也会越低，，其DK/Df受环境湿度的增加而增加。分子结构极性是决定树脂DK/Df之关键，如果分子结构极性越高，在一定电磁波下，树脂内电子极化、原子极化、偶极极化(又称取向极化)之程度将越高，其DK/Df越高，此点亦可从DK/Df之定义得知，所以设计或选择高度对称结构，少量极性基团、低极性的化学键和具有大分子体积的高分子树脂是降低DK/Df之主要途径，例如具有脂肪族烃、氟代烃、环脂环族等此类结构的树脂和能具有参加反应之乙烯基、醚基、酯基及酰亚胺基等结构的树脂(固化后)其DK/Df相对较低，千万不能含有OH和COOH等极性基团，传统FR-4因固化后分子结构中含有大量OH基而具有相对较高的DK/Df。常用作Low DK/Df之树脂结构如下:

2.2.2玻璃布和树脂含量

玻璃布的DK/Df不可忽视，因为玻璃布在基板中扮演了DK“拖后退”之角色，E-glass在IMHz之DK为6.6，而传统FR-4 epoxy在1MHZ之DK为3.6，两者制作的传统FR-4基板的DK在4.2-4.8，正因为E-glass的DK太高而开发了新型NE-glass，其特性表如表1

目前NE-Glass已被CCL批量使用，如Nelco N4000-13SI，当然如果再想进一步降低DK，可采用Q-Glass(DK/Df=3.9/0.0002，1MHZ)，如Nelco N8000Q。 正因为树脂的DK比玻璃布的低，百其Df(约0.025，1MHz)

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比玻璃布的高，所以随着含量的升高，基板或基材之DK随着降低，百Df随着升高，在设计叠构和阻抗时可借鉴此变化规律。

关于DK/Df会受到环境温度的影响，祝大同专家曾对此关系做了详细的分析:基板材料的DK/Df随着温度的提高而增大，且Df相对表现更加“敏感”，具体参见图2和图3。其实我们从DK/Df之定义去想想，其原因很明显，当温度升高时，树脂分子内的电荷运动加快、电荷极化、原子极化和取向极化程度提高，基DK会提高，而电荷运动的加快，电荷更易形成电流，促进了树脂内的电导增加，加之极化程度增加后，两者造成较明显的滞后效应，从而使相对角增幅较大，Df也相应较大幅度地增大。当然如果树脂之极性很小，如PPE，其DK/Df随温度的变化之趋势较小，特别是PTFE，基本上不随温度的变化而变化，图2和图3也能说明此点。

2.2.4应用频率

众所周知，传统FR-4材料之DK随着频率升高而降低，Df随着频率升高而升高，而DK/Df更低的PPO和PTFE等基板材料之DK/Df随频率变化的幅度相对较小，特别是PTFE基板之DK随频率升高而趋于平稳或微量变小，如图4和图5。此现象也可从DK/Df的定义来进行解释说明，当频率升高时，极性较强的树脂内的电子、电荷、离子等来不及进行排序而形成的极化程度降低，其DK较低且频率越高DK降低越明显;对于极性弱的树脂，基本上产生的极化程度本来就很低，其DK较低，所以随频率升高而DK降低的幅度较小。对于极性较强的树脂来讲，频率越高，树脂之电导和极化的滞后效应越严重，也是说树脂内电荷产生的电流和树脂之极化赶不上频率的变化，且频率越高则越落后，因而其Df相对较高且随频率升高而

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明显升高;而极性弱的树脂，树脂本身内的电导和极化很弱，其滞后效应随频率之变化不明显，则其Df相对较低且随频率提高而增大的幅度很小。

3.高频基板材料的设计

3.1信号传输速度

在传统的电子产品应用中，应用频率大多数集中在1GHz以下，传统FR-4材料的DK/Df特性足以满足其要求，而常被PCB和终端厂商设计者所忽视其较高DK/Df带来的负面影响。随着电子产品信息处理的高速化和多功能化，应用频率不断提高，2GHz及3-6GHz将成为主流，基板材料不再是扮演传统意义下的机械支撑角色，而将与电子组件一起成为PCB和终端厂商设计者提升产品性能的一个重要途径，是因为高频下的信号传输速度与DK的平方根成反比关系，其简单关系式如下:

,:信号传输速度，,:常数，,:光速，DK:基板的介电常数

或者说信号传输延迟时间与DK的平方根成正比，DK越高，其信号传输延迟现象越严重，其简单关系如下:

Tpd:传输延迟时间，L:信号传输长度，εeff:实际相对介电常数(在带状线的情况下，εeff=DK)，C:光速

另外，信号传输速度还与PCB设计的特性阻抗有关，一般阻抗越大，信号传输越快，简单抽象地说就是阻抗越在，即阻止信号渗入介电层的能力越大，其信号传输就快。带状线的特性阻抗Z0计算公式:

从特性阻抗Z0计算公式可看出，减少线宽、降低铜厚、提高介电层厚及降低介电层DK均可提高Z0，为了提高信号传输速度，这些均已成为PCB设计者必须考虑的因素。