一种无卤和超低损耗覆铜板的研制

陈宇航 胡 鹏 曾宪平 关迟记

（广东生益科技股份有限公司 国家电子电路基材工程技术研究中心，广东 东莞 523808）

0 引言

通信基站、通信网络、数据中心、云计算等领域的快速发展下，电子产品走向高频高速化，它们的市场扩大也驱动了作为高速印制电路板（PCB）基板材料——高速覆铜板在产品品种及其技术的新发展[1]。覆铜板（CCL）是将增强材料浸以粘结剂，一面或两面覆以铜箔，经热压而成的一种板状材料。一般将适于低信号传输损耗、具有高频高速传输特性的PCB用基板材料，称为高速电路用基板材料。按照损耗来分，可以分为中损耗（mid low loss）、低损耗（low loss）、甚低损耗（very low loss）、超低损耗（ultra low loss）级别，而对于覆铜板来说，损耗与基板的损耗因子（Df）相关性较大。

随着以Intel为主导的服务器产品发展趋势，将会在2020年底正式推出PCIe5.0，届时主要端口的传输速率将会有现在Purely平台的16 Gbps上升到32 Gbps，Intel也提出了对应的基材损耗要求为IL@16 GHz＜1.02 dB/in。从目前终端处了解的信息分析来看，设计师依据Intel的技术规格要求，在考虑材料的温度系数基础上，损耗要求提高为：IL@16 GHz＜0.9 dB/in。可靠性方面由于设计的密度增加，PCB的层数和厚度将会由原来的16层/2.8 mm提高到24～28层/3.2～3.8 mm。本文重点介绍了一款ultra low loss级别，高速领域的覆铜板，介绍了板材的开发思路、介电性能、可靠性等，该板材可以满足下一代服务器产品的应用需求。

1 高耐热性低传输损耗的覆铜板开发思路

1.1 高速高频化PCB特性与基板材料ε、tanδ的关系

在高速高频电路中，信号的传输速率与绝缘材料介电常数Dk（或ε）存在如式（1）关系[2]：

式（1）中ν—信号传输速率，ε—基板介质常数，c—光速。

基材介质常数Dk越低，信号传输速率越快。因此要实现信号传输速率的高速化，必须开发低介电常数的基板。

随着信号频率的高速高频化，基板中信号的损耗不能再忽略不计。信号损耗与频率、介电常数Dk、介质损耗因子Df或tanδ关系如式（2）所示：

式（2）中α—信号传输损耗，k—常数，tanδ—介质损耗，ε—基板介质常数，c—光速。

从上式我们可知，基板介电常数Dk越小、介质损耗因子Df越小，信号损失就越小。因此在高频板的开发过称中，要求板材绝缘材料具有低的介电常数Dk及低介质损耗因子Df。

介电常数除影响信号的传输速率外，还在很大程度上决定印制板的特性阻抗，其表达式如式（3）所示：

式（3）中：Z0—印制板传输线的特性阻抗，ε—基板介电常数，h—介质厚度，w—导线宽度，t—导线厚度。为了保证高频电子电路特性阻抗的连续性，降低因特性阻抗不匹配导致信号反射的损耗，对基材的Dk、厚度的稳定性和均匀性提出了严格的要求[2]。

1.2 聚合物基体

常用的聚合物基体可分为极性和非极性两类。极性聚合物由于自身固有的极性具有较高的介电常数，但是同时介电损耗较大。比较典型的有：聚偏氟乙烯、聚氯乙稀、聚甲基丙烯酸甲酯、聚酰胺、环氧树脂等。非极性聚合物由于自身分子结构的对称性具有较低的介电常数，通常为2～3，同时介电损耗很小。比较典型的有：聚四氟乙烯、碳氢树脂及聚苯醚等。如表1为不同树脂基体的介电性能[3]。

表1 不同树脂的介电常数与介质损耗因子（Dk/Df）[3]

由表1中的不同树脂的介质损耗因子大小对比可知，许多常用的聚合物的介质损耗因子tanδ较小，可选为主体树脂基体。但对于制造覆铜板，选用主体树脂基体应尽可能的采用热固性树脂，使板材具有足够的耐热性能和机械强度。改性聚苯醚树脂是经过将大分子热塑性聚苯醚树脂小分子化和官能化改性，进而降低其熔融粘度，并具备与特定交联剂进行交联固化，且保持其本身高的机械强度及耐热性，较好的尺寸稳定性和优异介电性能，且随温度、频率的变化较小。

1.3 功能性填料

由于高分子聚合物本身的热膨胀率较大，尺寸稳定性较差，使用纯的改性聚苯醚树脂组合物固化后制备的覆铜板的热膨胀系数大，易出现分层爆板的问题，且成本较高。为解决覆铜板热膨胀系数大和成本高的问题，通常在配方中引入功能性填料，其中硅微粉是较为常见的一种。硅微粉是由石英加工而成的粉体，具有高绝缘性、高热传导性、高稳定性、低的热膨胀系数和低成本等特性。由于硅微粉具有较多的优良性能，因此在覆铜板行业的应用日趋广泛，成为覆铜板的重要组成部分[4]。

1.4 其他材料选择

为使覆铜板可满足其他方面的需求，需引入不同功能的辅助材料。例如，为提高基材的阻燃性，需要添加一定的阻燃剂。

2 实验部分

2.1 主要原材料

改性聚苯醚树脂、交联剂、填料、阻燃剂、溶剂等。

2.2 覆铜板的制作

根据设计好的实验配方，称取一定量改性聚苯醚树脂、改性树脂、交联剂、阻燃剂和溶剂共混搅拌制得均匀胶液，调整好上胶机夹轴间隙、转速，使用E-玻纤布作为增强材料，浸以配好的胶液，均匀上胶。将浸过胶液的玻纤布放入设定好烘烤条件的烘箱，烘成半固化粘结片。然后将制得的粘结片根据不同板材厚度的要求叠加，两面覆以铜箔，置于真空压机中压制成覆铜板。

2.3 覆铜板性能测试

参照IPC标准及生益科技的企业标准的检测方法，对由上述组合物制成的覆铜板进行性能测试，主要测试项目及仪器见下。

（1）玻璃化转变温度Tg：动态热机械分析法（DMA）；（2）热分解温度Td：热重分析法（TGA）；（3）X、Y、Z-CTE及热分层时间T288：热机械分析法（TMA）；（4）介电常数与介质损耗因子：SPDR法（3、5、10 GHz）、平板电容法（1 GHz）；（5）层间结合力：剥离强度测试仪；（6）热导率：热阻仪，按ASTM D5470标准；（7）铜箔剥离强度：剥离强度测试仪，按IPC-TM-650方法；（8）高温高湿吸水率：恒温恒湿箱，85℃/85% RH，168h；（9）燃烧性：燃烧试验箱（UL94）。

3 结果与讨论

3.1 覆铜板基本性能

为使基材达到Ultra low loss级别的电性能和耐热性，经过反复的实验、考察，最后确定了体系中各物料的质量百分比，研制的高耐热性、低传输损耗的覆铜板具有优异的综合性能，具体如下表2所示。

3.2 覆铜板耐热性分析

由表2和图1～图4可知，本文所研制的覆铜板具有较高的热分解温度（Td），如图1所示，Td（5%loss）高达430.43 ℃。另外，该覆铜板具有较高的玻璃化转变温度（Tg），如图2所示Tg（DMA）为210.6 ℃ 研制的覆铜板具有较低的热膨胀系数，说明板材具有较高的尺寸稳定性，有利于其在PCB加工过程中的顺利定位。该覆铜板的热膨胀系数（z-CTE），如图3所示，α_1|:60.14 μm/（m·℃），α_2|:230.6 μm/（m·℃），50～260 ℃的膨胀百分比：2.623%。

表2 覆铜板基本性能表

此外，如图4所示，该覆铜板还具有较长的热分层时间，T360为86.5 min，说明板材具有优异的耐热性能，完全可以满足后续PCB加工。

图1 覆铜板热分解温度Td测试曲线图

图2 覆铜板T360测试曲线图

图3 覆铜板z-CTE测试曲线图

图4 覆铜板玻璃化转变温度Tg测试曲线图

3.3 高多层PCB应用

3.3.1 多层板耐热性

高多层印制电路板的耐热可靠性除了与原材料覆铜板的耐热性相关外，与PCB的加工有较大关系。在同等条件下，PCB板层数越高，厚度越大，内层铜厚度越厚，间距（Pitch）越小，对基材耐热性要求更高。本文采用新开发的覆铜板制作成28层3.7 mm厚度的高多层PCB，内层含有6层70 μm厚铜，最小节距（pitch） 0.65 mm BGA和0.25 mm散热孔进行考试，分别做6次260 ℃无铅回流焊和6次288 ℃漂锡处理。制作切片对板材内部形貌进行观察，都无分层、爆板或裂纹等缺陷出现，表现出良好的耐热可靠性，见图5。

图5 28 L板6次漂锡处理后的切片图

3.3.2 SI（信号完整性）性能

表3为覆铜板插入损耗（IL）性能表，从表中可以看出，板材搭配HVLP2铜箔，0.102 mm芯板搭配0.127 mm PP，在16 G频率下IL为0.722 dB/in，板材搭配RTF2铜箔，0.102 mm core搭配0.127 mm PP，在16 G频率时IL为0.751 dB/in，可以满足Inter新一代Purely平台的损耗要求。

3.3.3 CAF（耐离子迁移）性能

图6为覆铜板CAF性能测试图，模型为28L多层板，内含6×2 oz铜箔，测试条件为温度85 ℃，湿度85%，电压为100 V，从图中可以看出，在经过1000 h的测试后，4种节距的通道其电阻均在108 Ω以上，CAF性能良好。

3.3.4 IST（互联应力测试）性能

覆铜板IST性能测试，模型为28 L多层板，内含6×2 oz铜箔，测试条件为（150 ℃/3 min）-（25 ℃/2 min），在经过1000循环的测试后，其电阻变化率均小于10%，IST性能良好。

表3 覆铜板SI性能表

图6 覆铜板CAF性能图

4 结论

本文研究开发了一款超低损耗级别的覆铜板及粘结片材料，该材料具有较高Tg、较高的耐热性和耐CAF性，较低的介质损耗和插入损耗、且PCB加工性优异，可满足通信领域用的高多层PCB的耐热性和信号完整性的需求。