眾所周知，印制電路板（PCB）的基本屬性取決于其基板材料的性能。因此，要提高電路板的性能，必須首先優(yōu)化基板材料的性能。迄今為止，為了滿足與新技術(shù)和市場趨勢相適應(yīng)的要求，正在開發(fā)許多新類型的材料并將其投入應(yīng)用。
近年來，印制電路板市場發(fā)生了轉(zhuǎn)變，其重點(diǎn)從臺(tái)式電腦等傳統(tǒng)硬件產(chǎn)品到服務(wù)器和移動(dòng)終端之類的無線通信。以智能手機(jī)為代表的移動(dòng)通信設(shè)備推動(dòng)了PCB向高密度，輕便和多功能的方向發(fā)展。沒有基板材料，其技術(shù)要求與PCB的性能密切相關(guān)，就不可能實(shí)現(xiàn)印刷電路技術(shù)。因此，基板材料的選擇對(duì)于提高PCB及其最終產(chǎn)品的質(zhì)量和可靠性起著至關(guān)重要的作用。
滿足高密度和細(xì)線的要求
- 對(duì)銅箔的要求
所有PCB板都朝著更高密度和更細(xì)線的方向發(fā)展，尤其是HDI PCB（高密度互連PCB）。十年前，HDI PCB被IPC定義為線寬（L）和線間距（S）為0.1mm或更小的PCB.但是，目前，目前電子工業(yè)中的L和S的標(biāo)準(zhǔn)值可小至60μm，在先進(jìn)的情況下，其值可低至40μm。
傳統(tǒng)的電路圖案形成方法在于成像和蝕刻過程，其結(jié)果是，在使用薄銅箔基板（厚度在9μm至12μm范圍內(nèi)）的情況下，L和S的最小值達(dá)到30μm。
由于薄銅箔覆銅箔覆銅板（CCL）具有成本高，堆疊多，缺陷多的特點(diǎn)，因此許多PCB制造商傾向于使用蝕刻減銅箔法代替銅箔厚度為18μm的銅箔。實(shí)際上不建議使用此方法，因?yàn)樗嗟倪^程，厚度難以控制，導(dǎo)致成本更高。結(jié)果，較薄的銅箔更好。此外，當(dāng)板的L和S值小于20μm時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)銅箔不起作用。最后，建議使用超薄銅箔，因?yàn)槠溷~厚度應(yīng)控制在3μm至5μm的范圍內(nèi)。
除了銅箔的厚度，當(dāng)前的精細(xì)電路還要求低粗糙度的銅箔表面。為了提高銅箔與基體材料之間的結(jié)合能力并確保導(dǎo)體的剝離強(qiáng)度，在銅箔平面上進(jìn)行了粗化處理，普通銅箔的粗糙度大于5μm。
在銅箔上嵌入隆起到基板材料中旨在提高其剝離強(qiáng)度。然而，為了將引線精度控制為遠(yuǎn)離電路蝕刻期間的過度蝕刻，趨于引起隆起污染，從而可能導(dǎo)致線之間的短路或絕緣能力降低，這特別影響精細(xì)電路。因此，需要低粗糙度（小于3μm甚至1.5μm）的銅箔。
盡管降低了銅箔的粗糙度，但仍然需要保持導(dǎo)體的剝離強(qiáng)度，這會(huì)在銅箔和基底材料的表面引起特殊的表面成型，這將有助于確保導(dǎo)體的剝離強(qiáng)度。
- 對(duì)絕緣電介質(zhì)層壓板的要求
HDI PCB的主要技術(shù)特性之一是構(gòu)建過程。通常使用的RCC（樹脂涂層銅）或預(yù)浸料環(huán)氧玻璃布和銅箔的層壓很少會(huì)導(dǎo)致電路精細(xì)。現(xiàn)在傾向于使用SAP和MSPA，這意味著將絕緣電介質(zhì)膜與化學(xué)鍍銅層壓在一起以生成銅導(dǎo)電平面。由于薄的銅平面，可以產(chǎn)生精細(xì)的電路。
SAP的關(guān)鍵點(diǎn)之一是層壓電介質(zhì)材料。為了滿足高密度精細(xì)電路的要求，必須對(duì)層壓材料提出一些要求，包括介電性能，絕緣性，抗熱容量和粘合性，以及與HDI PCB兼容的技術(shù)適應(yīng)性。
在全球半導(dǎo)體封裝中，IC封裝基板已從陶瓷基板轉(zhuǎn)換為有機(jī)基板。FC封裝基板的節(jié)距越來越小，因此L和S的當(dāng)前典型值為15μm，并且將更小。
多層基板性能應(yīng)強(qiáng)調(diào)低介電性能，低熱膨脹系數(shù)（CTE）和高耐熱性，這是指滿足性能目標(biāo)的低成本基板。如今，通過精細(xì)電路的批量生產(chǎn)，應(yīng)用了MSPA技術(shù)，將絕緣電介質(zhì)疊層與薄銅箔結(jié)合在一起。SAP用于制造L和S值均小于10μm的電路圖案。
PCB的高密度和薄度導(dǎo)致HDI PCB從帶芯層壓變?yōu)槿魏尾粠镜膶?。?duì)于具有相同功能的HDI PCB，在任何層上具有互連功能的PCB的面積和厚度都比具有芯層的PCB減少25％。這兩種HDI PCB均必須使用具有更好電性能的更薄介電層。
源自高頻和高速的需求
電子通信技術(shù)已經(jīng)從有線發(fā)展到無線，從低頻低速發(fā)展到高頻高速。智能手機(jī)的性能已經(jīng)從4G提升到5G，需要更快的傳輸速度和更大的傳輸量。
全球云計(jì)算時(shí)代的到來導(dǎo)致數(shù)據(jù)流量成倍增長，并且通信設(shè)備的高頻化和高速化趨勢明顯。為了滿足高頻和高速傳輸?shù)囊?，高性能材料是最重要的要素，除了減少信號(hào)干擾和消耗，信號(hào)完整性以及與PCB設(shè)計(jì)方面的設(shè)計(jì)要求兼容的制造。
工程師的主要工作是依靠電信號(hào)損失的屬性來提高PCB速度并處理信號(hào)完整性問題?；诔^十年的PCB制造商制造服務(wù)，作為影響基板材料選擇的關(guān)鍵因素，當(dāng)介電常數(shù)（Dk）小于4且介電損耗（Df）小于0.010時(shí)，它被視為中間Dk / Df層壓板，當(dāng)Dk低于3.7，Df低于0.005，被認(rèn)為是低Dk / Df層壓板。目前，市場上可以買到多種類型的基板材料。
到目前為止，常用的高頻電路板基板材料主要有以下三種：氟系樹脂，PPO或PPE樹脂和改性環(huán)氧樹脂。具有最低介電性能的氟系列介電基板（例如PTFE）通常用于頻率為5GHz或更高的產(chǎn)品。改性環(huán)氧樹脂F(xiàn)R-4或PPO基板適用于頻率在1GHz至10GHz范圍內(nèi)的產(chǎn)品。
比較這三種類型的高頻基板材料，環(huán)氧樹脂的價(jià)格最低，而氟系列樹脂的價(jià)格最高。在介電常數(shù)，介電損耗，吸水率和頻率特性方面，氟系樹脂表現(xiàn)最佳，而環(huán)氧樹脂則表現(xiàn)較差。當(dāng)產(chǎn)品施加的頻率高于10GHz時(shí)，僅氟系列樹脂起作用。PTFE的缺點(diǎn)包括成本高，剛性差和熱膨脹系數(shù)高。
對(duì)于PTFE，可以將塊狀無機(jī)物（例如二氧化硅）用作填充材料或玻璃布，以增強(qiáng)基材的剛性并降低熱膨脹系數(shù)。此外，由于聚氟乙烯分子的惰性導(dǎo)致聚氟乙烯分子難以與銅箔結(jié)合，因此有必要實(shí)現(xiàn)與銅箔兼容的特殊表面成型。該處理方法在于對(duì)聚乙烯的表面進(jìn)行化學(xué)蝕刻以增加表面粗糙度，或者添加粘合膜以增加粘附能力。隨著該方法的應(yīng)用，可能會(huì)影響介電性能，并且必須對(duì)整個(gè)氟系列高頻電路進(jìn)行進(jìn)一步的開發(fā)。
由改性環(huán)氧樹脂或PPE與TMA，MDI和BMI結(jié)合玻璃布組成的獨(dú)特絕緣樹脂得到了更多的應(yīng)用。與FR-4 CCL相似，它還具有出色的耐熱性和介電特性，機(jī)械強(qiáng)度以及PCB的可制造性，所有這些使得它比PTFE型基板更受歡迎。
除了對(duì)上述樹脂等絕緣材料的性能有要求外，作為導(dǎo)體的銅的表面粗糙度也是影響信號(hào)傳輸損耗的重要因素，這是集膚效應(yīng)的結(jié)果。簡而言之，集膚效應(yīng)是高頻信號(hào)傳輸中導(dǎo)線產(chǎn)生的電磁感應(yīng)和電感變得如此集中在導(dǎo)線截面積的中心，驅(qū)動(dòng)電流或信號(hào)集中在導(dǎo)線表面。導(dǎo)體的表面粗糙度在影響傳輸信號(hào)損耗方面起著關(guān)鍵作用，低粗糙度導(dǎo)致的損耗很小。
在相同的頻率下，銅的高表面粗糙度會(huì)導(dǎo)致高信號(hào)損耗。因此，在實(shí)際制造中必須控制表面銅的粗糙度，并且在不影響附著力的情況下應(yīng)使其盡可能低。必須特別注意10 GHz或更高頻率范圍內(nèi)的信號(hào)。銅箔的粗糙度要求小于1μm，最好使用粗糙度為0.04μm的超表面銅箔。銅箔的表面粗糙度必須與適當(dāng)?shù)难趸幚砗驼澈蠘渲w系相結(jié)合。在不久的將來，可能會(huì)有一種銅箔沒有用樹脂涂覆的外形，并且它具有更高的剝離強(qiáng)度，并且不會(huì)影響介電損耗。
高耐熱性和散熱性的要求
隨著小型化和高功能化的發(fā)展趨勢，電子設(shè)備趨于產(chǎn)生大量的熱量，因此電子設(shè)備的熱管理要求越來越高的要求。解決此問題的方法之一是導(dǎo)熱PCB的研究與開發(fā)。PCB的耐熱性和散熱性良好的主要條件是基板的耐熱性和散熱性。PCB導(dǎo)熱能力方面的當(dāng)前改進(jìn)在于通過樹脂和填充劑的添加進(jìn)行改進(jìn)，但僅在有限的類別中起作用。典型的方法是應(yīng)用IMS或起加熱組件作用的金屬芯PCB.與傳統(tǒng)的散熱器和風(fēng)扇相比，該方法具有體積小，成本低的優(yōu)點(diǎn)。
鋁是一種非常吸引人的材料，具有資源豐富，成本低廉，導(dǎo)熱性能和強(qiáng)度都優(yōu)良的優(yōu)點(diǎn)。此外，它非常環(huán)保，可用于大多數(shù)金屬基材或金屬芯。由于具有經(jīng)濟(jì)性，可靠的電連接，導(dǎo)熱性和高強(qiáng)度，無焊料和無鉛的優(yōu)點(diǎn)，鋁基電路板已應(yīng)用于消費(fèi)品，汽車，軍用產(chǎn)品和航空航天產(chǎn)品。毫無疑問，金屬基板的耐熱性和散熱性是關(guān)鍵，關(guān)鍵在于金屬板與電路板之間的粘合性能。
如何確定PCB的基板材料？
在現(xiàn)代電子時(shí)代，電子設(shè)備的小型化和薄型化導(dǎo)致必須出現(xiàn)剛性PCB和柔性/剛性PCB.那么哪種類型的基底材料適合它們呢？
剛性PCB和柔性/剛性PCB的應(yīng)用領(lǐng)域不斷增加，在數(shù)量和性能方面提出了新的要求。例如，聚酰亞胺膜可分為多個(gè)類別，包括具有高耐熱性和低熱膨脹系數(shù)的透明，白色，黑色和黃色，以便應(yīng)用于不同的情況。同樣，具有高成本效益的聚脂薄膜基材也因其具有高彈性，尺寸穩(wěn)定性，薄膜表面質(zhì)量，光電耦合和耐環(huán)境性等優(yōu)點(diǎn)而被市場所接受，以滿足用戶多變的需求。
與剛性HDI PCB相似，柔性PCB必須適應(yīng)高速高頻信號(hào)傳輸?shù)囊?，柔性基板材料的介電常?shù)和介電損耗也必須得到關(guān)注。柔性電路可以由聚四氟乙烯和先進(jìn)的聚酰亞胺基材組成。可以將無機(jī)粉塵和碳纖維添加到聚酰亞胺樹脂中，以產(chǎn)生三層柔性導(dǎo)熱基底。無機(jī)填充材料可以是氮化鋁，氧化鋁或六方氮化硼。這種類型的基板材料具有1.51W / mK的導(dǎo)熱性能，并且能夠抵抗2.5kV的電壓和180度的曲率。
柔性PCB主要應(yīng)用于智能手機(jī)，可穿戴設(shè)備，醫(yī)療設(shè)備和機(jī)器人技術(shù)，這對(duì)柔性PCB結(jié)構(gòu)提出了新的要求。到目前為止，已經(jīng)開發(fā)了一些包含柔性PCB的新產(chǎn)品，例如超薄柔性多層PCB，其厚度從0.4mm減小到0.2mm。通過使用具有低Dk和Df的聚酰亞胺襯底材料，高速傳輸柔性PCB可以達(dá)到5Gbps的傳輸速度。大功率柔性PCB采用厚度大于100μm的導(dǎo)體，以滿足大功率，大電流電路的要求。所有這些特殊的柔性PCB自然會(huì)獲得非常規(guī)的基板材料。
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