1、前言

隨著信息科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，含有高速信息解決功效之多個(gè)電子消費(fèi)產(chǎn)品已成為人民日常生活中不可缺少的一部分，從而加緊了無線通訊和寬頻應(yīng)用工業(yè)技術(shù)由傳統(tǒng)的軍用領(lǐng)域向民用的消費(fèi)電子領(lǐng)域轉(zhuǎn)移之速度，由于消費(fèi)電子市場(chǎng)需求強(qiáng)勁，且不停提出更高的技術(shù)規(guī)定，如信息傳遞高速化、完整性及產(chǎn)品多功效化和微型化等，從而增進(jìn)了高頻應(yīng)用技術(shù)之不停發(fā)展。特別是覆銅箔基板材料技術(shù)，傳統(tǒng)FR-4之DK和Df相對(duì)較高，即使通過改善線路設(shè)計(jì)也無法完全滿足高頻下的信號(hào)高速傳遞且信號(hào)完整之應(yīng)用需求，由于高DK會(huì)使信號(hào)傳遞速率變慢，高Df會(huì)使信號(hào)部分轉(zhuǎn)化為熱能損耗在基板材料中，因而減少DK/Df已成為基板業(yè)者之追逐熱點(diǎn)，多個(gè)減少DK/Df之新技術(shù)和新型基板產(chǎn)品也不停地涌現(xiàn)出來，同時(shí)不停地被PCB業(yè)者和終端廠商所接受和否認(rèn)（某些應(yīng)用領(lǐng)域的否認(rèn)）。下列就本人對(duì)業(yè)界高頻基板材料技術(shù)之發(fā)展的理解作一簡樸的介紹，同時(shí)就我司的新型高頻基板材料作簡要之介紹與討論。

2、介電常數(shù)（DK）和損耗因子（Df）

定義

介電常數(shù)（ε，εr，DK，下列均用DK表達(dá)）的定義方式繁多，但常見定義為：含有電介質(zhì)的電容器的電容C與對(duì)應(yīng)真空電子容器的電容之比為該電介質(zhì)的介電常數(shù)。（電介質(zhì)的電容電荷示意圖以下圖1）

從介電常數(shù)的定義可知，如果電介質(zhì)的極化程度越高，則其電荷Ｑ值越高，即DK越高，闡明DK是衡量電介質(zhì)極化程度的宏觀物理量，表征電介質(zhì)貯存電能能力的大小，從而也表征了妨礙信號(hào)傳輸能力的大小。

損耗因子（tanδ，Df，也叫介質(zhì)損耗因素，介質(zhì)損耗角正切，下列均用Df表達(dá)）普通可定義為：絕緣材料或電介質(zhì)在交變電場(chǎng)中，由于介質(zhì)電導(dǎo)和介質(zhì)極化的滯后效應(yīng)，使電介質(zhì)內(nèi)流過的電流相量和電壓相量之間產(chǎn)生一定的相位差，即形成一定的相角，此相角的正切值即損耗因子Df，由介質(zhì)電導(dǎo)和介質(zhì)極化的滯后效應(yīng)引發(fā)的能量損耗叫做介質(zhì)損耗，也就是說，Df越高，介質(zhì)電導(dǎo)和介質(zhì)極化滯后效應(yīng)越明顯，電能損耗或信號(hào)損失越多，是電介質(zhì)損耗電能能力的表征物理量，也是絕緣材料損失信號(hào)能力的表征物理量。

基板材料DK和Df之影響因素

在高頻應(yīng)用中，PCB使用之基板材料的介電性能對(duì)信號(hào)的傳輸速度和完整性產(chǎn)生直接的影響，在討論如何減少DK/Df以更加好地符合高頻應(yīng)用前，先對(duì)基板材料DK/Df之影響因素進(jìn)行討論：基板材料DK/Df之影響因素較多，重要有以下幾方面：樹脂、玻璃布類型、樹脂含量、環(huán)境溫度和濕度及應(yīng)用頻率等，下面就以上影響因子進(jìn)行具體分析。

2.2.1樹脂構(gòu)造特性

因基板之絕緣部分是由樹脂和玻璃布構(gòu)成，玻璃布的DK較高（，），因而實(shí)現(xiàn)較低的DK，必須選擇較低DK之樹脂。樹脂的DK/Df重要與樹脂的純度、吸水率及樹脂分子構(gòu)造此三方面有關(guān)，固然此三方面也互相影響。普通來講，樹脂中游離的離子會(huì)使樹脂的吸水率提高，由于水的DK達(dá)成70，吸水率的提高會(huì)使樹脂的DK升高，同時(shí)會(huì)在高頻下易形成離子極化而增加極化程度，也使DK升高，同時(shí)Df也會(huì)對(duì)應(yīng)提高。至于吸水率，與樹脂本身分子構(gòu)造有關(guān)，普通來說，分子構(gòu)造之極性越低，其吸水率越低；另其固化后的交聯(lián)密度越大，其吸水率也會(huì)越低，，其DK/Df受環(huán)境濕度的增加而增加。分子構(gòu)造極性是決定樹脂DK/Df之核心，如果分子構(gòu)造極性越高，在一定電磁波下，樹脂內(nèi)電子極化、原子極化、偶極極化（又稱取向極化）之程度將越高，其DK/Df越高，此點(diǎn)亦可從DK/Df之定義得知，因此設(shè)計(jì)或選擇高度對(duì)稱構(gòu)造，少量極性基團(tuán)、低極性的化學(xué)鍵和含有大分子體積的高分子樹脂是減少DK/Df之重要途徑，例如含有脂肪族烴、氟代烴、環(huán)脂環(huán)族等這類構(gòu)造的樹脂和能含有參加反映之乙烯基、醚基、酯基及酰亞胺基等構(gòu)造的樹脂（固化后）其DK/Df相對(duì)較低，千萬不能含有OH和COOH等極性基團(tuán)，傳統(tǒng)FR-4因固化后分子構(gòu)造中含有大量OH基而含有相對(duì)較高的DK/Df。慣用作LowDK/Df之樹脂構(gòu)造以下：

2.2.2玻璃布和樹脂含量

玻璃布的DK/Df不可無視，由于玻璃布在基板中扮演了DK“拖后退”之角色，E-glass在IMHz之DK為，而傳統(tǒng)FR-4epoxy在1MHZ之DK為，兩者制作的傳統(tǒng)FR-4基板的DK在，正由于E-glass的DK太高而開發(fā)了新型NE-glass，其特性表如表1

現(xiàn)在NE-Glass已被CCL批量使用，如NelcoN4000-13SI，固然如果再想進(jìn)一步減少DK，可采用Q-Glass(DK/Df=，1MHZ)，如NelcoN8000Q。

正由于樹脂的DK比玻璃布的低，百其Df（約，1MHz）比玻璃布的高，因此隨著含量的升高，基板或基材之DK隨著減少，百Df隨著升高，在設(shè)計(jì)疊構(gòu)和阻抗時(shí)可借鑒此變化規(guī)律。

有關(guān)DK/Df會(huì)受到環(huán)境溫度的影響，祝大同專家曾對(duì)此關(guān)系做了具體的分析：基板材料的DK/Df隨著溫度的提高而增大，且Df相對(duì)體現(xiàn)更加“敏感”，具體參見圖2和圖3。其實(shí)我們從DK/Df之定義去想想，其因素很明顯，當(dāng)溫度升高時(shí)，樹脂分子內(nèi)的電荷運(yùn)動(dòng)加緊、電荷極化、原子極化和取向極化程度提高，基DK會(huì)提高，而電荷運(yùn)動(dòng)的加緊，電荷更易形成電流，增進(jìn)了樹脂內(nèi)的電導(dǎo)增加，加之極化程度增加后，兩者造成較明顯的滯后效應(yīng)，從而使相對(duì)角增幅較大，Df也對(duì)應(yīng)較大幅度地增大。固然如果樹脂之極性很小，如PPE，其DK/Df隨溫度的變化之趨勢(shì)較小，特別是PTFE，基本上不隨溫度的變化而變化，圖2和圖3也能闡明此點(diǎn)。

2.2.4應(yīng)用頻率

眾所周知，傳統(tǒng)FR-4材料之DK隨著頻率升高而減少，Df隨著頻率升高而升高，而DK/Df更低的PPO和PTFE等基板材料之DK/Df隨頻率變化的幅度相對(duì)較小，特別是PTFE基板之DK隨頻率升高而趨于平穩(wěn)或微量變小，如圖4和圖5。此現(xiàn)象也可從DK/Df的定義來進(jìn)行解釋闡明，當(dāng)頻率升高時(shí)，極性較強(qiáng)的樹脂內(nèi)的電子、電荷、離子等來不及進(jìn)行排序而形成的極化程度減少，其DK較低且頻率越高DK減少越明顯；對(duì)于極性弱的樹脂，基本上產(chǎn)生的極化程度原來就很低，其DK較低，因此隨頻率升高而DK減少的幅度較小。對(duì)于極性較強(qiáng)的樹脂來講，頻率越高，樹脂之電導(dǎo)和極化的滯后效應(yīng)越嚴(yán)重，也是說樹脂內(nèi)電荷產(chǎn)生的電流和樹脂之極化趕不上頻率的變化，且頻率越高則越落后，因而其Df相對(duì)較高且隨頻率升高而明顯升高；而極性弱的樹脂，樹脂本身內(nèi)的電導(dǎo)和極化很弱，其滯后效應(yīng)隨頻率之變化不明顯，則其Df相對(duì)較低且隨頻率提高而增大的幅度很小。

3.高頻基板材料的設(shè)計(jì)

信號(hào)傳輸速度

在傳統(tǒng)的電子產(chǎn)品應(yīng)用中，應(yīng)用頻率大多數(shù)集中在1GHz下列，傳統(tǒng)FR-4材料的DK/Df特性足以滿足其規(guī)定，而常被PCB和終端廠商設(shè)計(jì)者所無視其較高DK/Df帶來的負(fù)面影響。隨著電子產(chǎn)品信息解決的高速化和多功效化，應(yīng)用頻率不停提高，2GHz及3-6GHz將成為主流，基板材料不再是扮演傳統(tǒng)意義下的機(jī)械支撐角色，而將與電子組件一起成為PCB和終端廠商設(shè)計(jì)者提高產(chǎn)品性能的一種重要途徑，是由于高頻下的信號(hào)傳輸速度與DK的平方根成反比關(guān)系，其簡樸關(guān)系式以下：Ｖ：信號(hào)傳輸速度，Ｋ：常數(shù)，Ｃ：光速，DK：基板的介電常數(shù)

或者說信號(hào)傳輸延遲時(shí)間與DK的平方根成正比，DK越高，其信號(hào)傳輸延遲現(xiàn)象越嚴(yán)重，其簡樸關(guān)系以下：Tpd：傳輸延遲時(shí)間，L：信號(hào)傳輸長度，εeff：實(shí)際相對(duì)介電常數(shù)（在帶狀線的狀況下，εeff=DK），C：光速

另外，信號(hào)傳輸速度還與PCB設(shè)計(jì)的特性阻抗有關(guān)，普通阻抗越大，信號(hào)傳輸越快，簡樸抽象地說就是阻抗越在，即制止信號(hào)滲入介電層的能力越大，其信號(hào)傳輸就快。帶狀線的特性阻抗Z0計(jì)算公式：從特性阻抗Z0計(jì)算公式可看出，減少線寬、減少銅厚、提高介電層厚及減少介電層DK均可提高Z0，為了提高信號(hào)傳輸速度，這些均已成為PCB設(shè)計(jì)者必須考慮的因素。

信號(hào)傳輸損失

簡樸地講，信號(hào)傳輸損失就是信號(hào)在傳輸過程中，部分信號(hào)轉(zhuǎn)化為熱能并損失到介電層中去了，如果信號(hào)傳輸損失大，闡明傳輸?shù)男盘?hào)變?nèi)?，?huì)影響信號(hào)傳輸之完整性，造成話間不清晰或圖像失真等現(xiàn)象，因此PCB設(shè)計(jì)者在設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮到信號(hào)的傳輸損失，而信號(hào)的傳輸損失（a）普通認(rèn)為涉及導(dǎo)體損失（ac）和介質(zhì)損失（ad）：

以上公式中有幾個(gè)概念先進(jìn)行闡明：

集膚效應(yīng)（skineffect）：在高頻信號(hào)進(jìn)行傳輸時(shí)，信號(hào)的交換頻率極快，會(huì)使導(dǎo)線產(chǎn)生電磁感應(yīng)，特別在導(dǎo)線橫段面中心處的電感較大，使得此位置的電流或信號(hào)的通過變得極少，而通過導(dǎo)線傳輸?shù)碾娏骰蛐盘?hào)，絕大數(shù)集中在導(dǎo)線的表皮，此種現(xiàn)象叫做“集膚效應(yīng)”，又稱“表皮效應(yīng)”。

表皮厚度（skindepth）和表皮電阻（skinresistance）：由于集膚效應(yīng)的產(chǎn)生，高頻信號(hào)在導(dǎo)線的表面上傳輸?shù)挠行Ы孛娣e變小，集中在導(dǎo)線的外表皮（其厚度叫表皮厚度），如果頻率越高，含有實(shí)際傳輸?shù)谋砥ず穸茸兊迷奖?，?dǎo)線表皮上的電阻（叫表皮電阻Rs）對(duì)應(yīng)變大，信號(hào)傳輸損失增加，此點(diǎn)可從表皮厚度和表皮電阻的計(jì)算公式得到體現(xiàn)，隨著頻率升高，表皮厚度變薄，而表皮電阻升高，從而造成在導(dǎo)線中傳輸?shù)母哳l信號(hào)以熱能形式散失得越多。

在高頻信號(hào)傳輸中，因集膚效應(yīng)造成的信號(hào)損失是導(dǎo)體損失的重要形式之一，因此在高頻應(yīng)用時(shí)，選用銅箔時(shí)其粗糙度Rz要特別低，VLP銅箔是較佳的選擇。另外高介電層DK也是導(dǎo)體損失的重要形式之一，對(duì)于PCB設(shè)計(jì)者來說，減少介電層DK也是減少導(dǎo)體內(nèi)的損失還與導(dǎo)體的厚度、寬度和介電層的厚度及特性阻抗有關(guān)，其實(shí)還與互相連接的各導(dǎo)線之特性阻抗的一致性有關(guān)，由于如果不一致的阻抗會(huì)造成信號(hào)在傳輸過程中發(fā)生發(fā)射噪聲而影響信號(hào)傳輸?shù)恼鎸?shí)性，事實(shí)上這是PCB阻抗設(shè)計(jì)的重要目的之一。

在高頻信號(hào)傳輸過程中，介質(zhì)損失相對(duì)導(dǎo)體損失要大諸多，占了傳輸損失的大部分，由于介電層中的微量電荷能在高頻下形成電導(dǎo)而造成信號(hào)以熱能散失在介電層中。從介質(zhì)損失的公式可得知，隨著頻率升高、DK升高及Df升高，介質(zhì)損失隨著增加，祝大同專家在《高速、高頻PCB用基板材料評(píng)價(jià)與選擇》一文中對(duì)此關(guān)系作了具體的分析，如有不說之處，可查閱此文。根據(jù)以上之分析，選擇含有較低DK/Df之基板材料，成為PCB設(shè)計(jì)者減少信號(hào)傳輸損失的重要途徑。

低DK/Df基板材料的設(shè)計(jì)與開發(fā)

為了能快速占有一定的高頻應(yīng)用市場(chǎng)，歐美和日本CCL對(duì)LowDK/Df材料進(jìn)行如火如荼的開發(fā)工作，并向市場(chǎng)推出多個(gè)各樣的LowDK/Df基板材料，綜觀CCL業(yè)界開發(fā)LowDK/Df之設(shè)計(jì)開發(fā)思路，大致總括以下表2、3、表4和圖6：

上表中只提了某些典型廠商之典型產(chǎn)品，有諸多家的產(chǎn)品并沒有提到，如ARLON之FoamClad100(DK/DF=，Nelco最新推出的N4350-13RF和N4380-13RF，GIL的GML1000等。

據(jù)表2、3和圖6，可對(duì)DK/Df與樹脂/增強(qiáng)材料設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)關(guān)系總結(jié)以下表4：多個(gè)樹脂基板材料的特性、應(yīng)用及市場(chǎng)價(jià)位狀況以下表5：

總而言之，由于PTFE分子構(gòu)造對(duì)稱而極性非常低，其介電性能最佳（DK/Df最低），普遍應(yīng)用在高頻無線通訊上（特別是軍用），但其單價(jià)太貴且PCB之Desmear和孔壁鍍銅性能差而使其應(yīng)用受到一定的限制；而對(duì)其它工程塑料（如PBD，PS，PPO等）進(jìn)行熱固性改性并和Epoxy進(jìn)行共混改性之材料，由于PPO等工程塑料之分子構(gòu)造對(duì)稱，或分子構(gòu)造多為極性較低的脂肪族烴鍵連結(jié)，其DK/Df也較低，含有較好的介電性能，且成本相對(duì)PTFE低某些，另共混之Epoxy提供了良好的CCL和PCB加工性，因此被業(yè)界廣泛研究及已被市場(chǎng)大批量應(yīng)用，并有部分取代PTFE材料之趨勢(shì)。

4.聯(lián)茂電子高頻基板材料的開發(fā)

近幾年以來，聯(lián)茂電子除了大力開發(fā)HihgTg、MidTg、NormalTg及無鹵等無鉛基板材料之外，始終致力于研究開發(fā)適于高頻應(yīng)用的無鉛基板材料，以打破歐美及日本CCL霸占高頻基板市場(chǎng)之局面，并于成功開發(fā)DK/DfO（1GHz）之材料，已開始量產(chǎn)送樣給客戶評(píng)定。

由于epoxy采用傳統(tǒng)Dicy或phenolic固化后會(huì)產(chǎn)生OH極性基團(tuán)而造成其DK/Df較高，但其成本較低，而傳統(tǒng)改性epoxy減少DK/Df用之CE、PI（含BMI）和APPE（或TPPE）等樹脂均相稱昂貴，影響這些材料的應(yīng)用普及，而聯(lián)茂電子選擇獨(dú)特的開發(fā)思路，采用獨(dú)特的配方技術(shù)，研制了一種特性優(yōu)秀且成本相對(duì)市場(chǎng)面上同類產(chǎn)品成本低幾成的LowDK/Df基板材料，并可適于無鉛制程，其基板特性以下表6：

此產(chǎn)品樹脂構(gòu)造采用極性非常低的分子構(gòu)造，其吸水率較低，特別是PCT8hr后的吸水率也僅%，闡明此產(chǎn)品適合于高濕環(huán)境下的高頻應(yīng)用，由于水的DK達(dá)成70，微量的水份均能較大幅度的提高基板材料的DK，從而影響信號(hào)傳輸速度和增加傳輸損失。PCT吸水率資料如圖7。

由于此產(chǎn)品之樹脂含有低極性的分子構(gòu)造，即使高頻下也不會(huì)因產(chǎn)生較大的電子極化、原子極化、取向極化及較高的電導(dǎo)而造成較高的DK/Df，從DK/Df隨頻率的變化趨勢(shì)圖（圖8）來看，其DK/Df隨著頻率的變化趨勢(shì)比較平緩，特別適合于高頻應(yīng)用（1-10GHz）。

該產(chǎn)品含有較低的CTE（50-260C，%），能夠應(yīng)用在含有更高集成度的高頻應(yīng)用板上，如可制作12層或16層板等來取代傳統(tǒng)高頻應(yīng)用的四、六層板（最多是8層板），符合將來高頻板的發(fā)展趨勢(shì)。

5.結(jié)論

總而言之，根據(jù)本文中介紹的DK/Df之定義及其各項(xiàng)影響因素之影響規(guī)律，業(yè)界可從分子構(gòu)造角度設(shè)計(jì)含有性價(jià)比優(yōu)良的Lowloss之基板材料，來實(shí)現(xiàn)高頻應(yīng)用的普及化，從而加緊信息科學(xué)技術(shù)的發(fā)展及對(duì)人類生活的不停滲入，使人類生活變得更豐富多彩。特別是但愿同行能充足運(yùn)用國內(nèi)理論研究的優(yōu)勢(shì)，加緊工業(yè)應(yīng)用研究，以提高國內(nèi)行業(yè)技術(shù)水準(zhǔn)，我想聯(lián)茂電子就是其中一例，但是尚有諸多地方需要與國內(nèi)同行攜手合作，繼續(xù)勇于創(chuàng)新，共同提高國內(nèi)CCL的技術(shù)水平！高頻與高速信號(hào)的區(qū)別在數(shù)字系統(tǒng)里面，重要考慮二進(jìn)制比特的速率，因此普通以傳輸?shù)谋忍芈实母叩蛠砗饬繑?shù)字信號(hào)的特性，高速信號(hào)也就提得較多。

在模擬系統(tǒng)里面，由于這樣那樣的因素，不管是低頻還是射頻甚至微波，調(diào)制信號(hào)用的載波基本都是正弦波，能夠直接用頻率衡量，因此高頻信號(hào)這個(gè)名詞就很常見。

需要注意的是高速、高頻其實(shí)并沒有一種明確的值來界定，就像RF和MW覆蓋的頻率范疇沒有確切的界定同樣。

本質(zhì)上高速