AI大潮下通訊基板材料的普遍適用性(下)

本篇文章從5G材料的應(yīng)用角度展望了基板材料在AI浪潮下面臨的新機遇與挑戰(zhàn)。在上期的分享中，我們深入分析了通訊基板材料的廣泛適用性，并探討了PPO樹脂改性的高速基板材料如何逐漸展現(xiàn)出更強的市場競爭力。本期，我們將繼續(xù)對新材料展開深入討論。

P

art 02.

通訊基板材料的

“普遍適用性”

2.4

“他山之玉可以攻石”之

Low Dk/Df的努力（局部觀）

玻璃纖維的發(fā)現(xiàn)，為現(xiàn)代電子電路產(chǎn)品的升級提供了顯而易見的功能支持。中國“撒哈拉”大沙漠的“去沙漠化”治理，借鑒了建筑行業(yè)使用鋼筋加混凝土的“固基穩(wěn)架”技術(shù)。同樣，近現(xiàn)代電子電路基板材料的蓬勃發(fā)展也依賴于玻璃纖維布增強技術(shù)。

如圖34所示，玻纖家族中既包括“默默奉獻、盡心盡力”的E-glass，它因優(yōu)良的可用性和性價比而成為材料低成本化的選擇；也有“后來居上、居功至偉”的日東紡NE玻纖，為現(xiàn)代通訊需求中的低介電常數(shù)（Low Dk）/低介電損耗（Df）基板材料提供了頗具競爭力的解決方案，盡管在成本方面可能會有所考量。

圖34 關(guān)于通訊基板材料特性的全景關(guān)注點羅列（此處引用求關(guān)注于“玻布”）

2.4.1 傳統(tǒng)本分之玻布迭代提升者

（1）日東紡

圖35 “日東紡”榮譽產(chǎn)品——NE玻纖

圖36 “日東紡”運用于電路板之玻纖詳情

（2）旭化成

除了“如此這般”之日東紡解決方案，尚有如下圖37之日本旭化成公司（貌似其DRY FILM產(chǎn)品，也是“可圈可點”），致力于服務(wù)電子電路基板材料。

圖37“旭化成”運用于電路板之玻纖

“登堂入室”，旭化成公司吸引了大量關(guān)于“管道”的數(shù)據(jù)和圖表，這些信息紛至沓來，令人目不暇接，清晰明了，如下圖38所示。

圖38 “旭化成”運用于電路板之玻纖

詳見下圖39，這里并非“乏善可陳”，而是亮點紛呈。最底部一排的圖像具有獨特的特點，堪稱“獨辟蹊徑”，形象生動，信息表達也十分明確。

圖39 “旭化成”運用于電路板之現(xiàn)貨玻纖產(chǎn)品一覽

（3）宏和電子材料科技

回歸國內(nèi)，業(yè)界“有識之士”努力開拓，致力于“盡善盡美”改善玻布之印制電路基板設(shè)計性能指標達成之可滿足性。

宏和電子材料科技有限公司之產(chǎn)品的不斷創(chuàng)新，恰如一抹新綠，給業(yè)界同仁多了一個了解玻布性能提升的窗口。

圖40 “宏和”運用于電路板之玻布技術(shù)展示

圖41 “宏和電子材料科技有限公司”之玻布技術(shù)運用

2.4.2 石英玻纖之不一樣的云彩

（1）信越

下圖44給出的就是這個領(lǐng)域的“拓荒者”之一：信越。

圖42 “信越公司”之石英玻布技術(shù)運用場景及性能特點展示

漸入佳境，進一步了解，以饗讀者。

圖43 “信越公司”之石英玻布技術(shù)圖表詳情闡述

（2）神玖

石英纖維復(fù)合材料由于氣孔率較高，并且易吸潮，因此對該材料必須進行防潮處理。此外，因為水是一種無所不在的東西，透波材料吸附空氣中的水分后，介電常數(shù)增加，介電損耗增大，導致電磁波的透過率下降。最終，吸潮對石英纖維增強復(fù)合材料的介電性能影響很大，隨著吸潮率的提高，材料的介電常數(shù)和介電損耗會急劇上升。

2.5

“皇帝的新衣”之

銅箔“實力派”助攻

歲月長河，漫漫征程行路難！有多少英雄豪杰“折戟沉沙鐵未銷”……

隨著開篇“言而有信”，非“空洞無物”之舉國機制之5G基站的廣泛建設(shè)，為提升國民的駕車“智慧”、“智能化”出行，提供了“觸手可及”的解決方案。

毋庸諱言，“浩如煙?！薄傲至挚偪偂薄案黝I(lǐng)風騷”的通訊用基板材料，誰可以“突破重圍”“不辱使命”“堪當重任”，真可謂“眾里尋他千百度”，驀然回首，那材料卻在燈火闌珊處——RO3003基板材料。

眾所周知，隨著應(yīng)用場景的深入，RO3003G2隆重推出，所謂何來，當然了，通過高性能銅箔的加持，給產(chǎn)品再上一個等級。

圖44 高性能銅箔如是說（來源：華正新材）

點解，如此這般“萬千寵愛集一身”？因為其獨特設(shè)計之非玻纖增強之CERAMIC填充PTFE樹脂基板體系。

明白人皆清楚其個中緣由，因為沒有了所謂“玻纖布編織效應(yīng)”（高頻信號傳輸性能指標之“相位一致性”實現(xiàn)之大忌）。

話分兩頭，在電路材料中通常也會通過添加玻璃布來增加材料的結(jié)構(gòu)強度，這樣有助于提高材料的機械穩(wěn)定性。但是電路材料中的玻璃布會影響該材料的介電常數(shù)（Dk）隨著位置的變化。這種Dk的變化是由玻璃布特有的物理交織結(jié)構(gòu)造成的，發(fā)生在非常小的區(qū)域且以周期性的方式呈現(xiàn)。

也就是說，玻璃布中玻璃纖維編織形的交疊處及小的開口空隙區(qū)域的Dk值會有不同，如下頁圖45示例。

通常，玻璃布或玻璃纖維的Dk約為6，而開口空隙區(qū)域的Dk由材料樹脂體系的Dk值決定，比如3。當存在兩束玻璃纖維相互交疊時，此時的Dk值最大；而開口空隙區(qū)域沒有玻璃纖維的存在，此時的Dk最?。粌H有單束玻璃纖維是Dk值居中。

圖45 “玻纖編織效應(yīng)”之介電常數(shù)Dk發(fā)布不均情況展示

當含有此類玻璃布的通訊用基板材料，僅僅是應(yīng)用于較低頻率時，由于信號波長較長，幾乎對電路性能不會造成影響。而當材料應(yīng)用于高頻毫米波頻率時，電路性能就會受到一定的影響。

以介電常數(shù)Dk為3.0、厚度5mil的電路材料為例，當材料應(yīng)用于77GHz毫米波電路時，所設(shè)計的50歐姆微帶線的寬度是12mil。

業(yè)界人士“心知肚明”，在常見電路基板材料中，大于12mil的玻璃布的交疊與空隙開口是非常常見的。

如此這般，在實際電路中，如圖48左所示，當微帶線分別處于玻璃纖維束或空隙上方時，由于Dk的不同此時同一設(shè)計的不同電路的阻抗就存在一定差異，從而影響電路的一致性；同樣，即使處于圖48右所示情況，Dk也存在周期的變化，導致同一微帶線電路的阻抗也會周期的變化，進而影響電路的相位，影響系統(tǒng)的一致性。

正因為玻璃布帶來的這種高頻的玻纖效應(yīng)，為了盡可能減小這種影響，在考慮應(yīng)用于如77GHz汽車毫米波雷達的材料時，應(yīng)選擇不含有玻璃布的電路材料。譬如，前面所提及的來著Rogers公司的RO3003基板材料。

圖46 “玻纖編織效應(yīng)”之信號傳輸路徑下介質(zhì)Dk發(fā)布不均情況展示

隨著6G高頻訊號傳遞的“趨膚效應(yīng)”日益凸顯，越來越多的通訊基板材料需要滿足“低粗糙度”銅箔的設(shè)計要求。

圖47 高頻通訊下“趨膚效應(yīng)”之“信號頻率”對應(yīng)“趨膚深度”指標要求

為了給大家一個相當更為直觀清晰的指標要求，下圖48提供了一張“信號傳輸頻率”與“趨膚深度”的對應(yīng)表。

從表中，明明白白可以看出：當信號傳輸頻率達到5GHz時，信號傳輸?shù)摹摆吥w深度”為0.93微米。換言之，此等情況下，對于滿足設(shè)計需求之通訊基板的表面銅箔“粗糙度”，必須小于1微米。

如此這般，相對應(yīng)的對于普通的THE銅箔，只能用在低頻電路基材上；低輪廓度的RTF銅箔，可以用在10GHz以下的高頻基板材料上；對于更高的頻率要求的基材，則只能使用超低輪廓度的銅箔（曾經(jīng)交流中遇到的一位法國同行，“底氣十足”、“聲如洪鐘”、“理直氣壯”聲稱必須選擇“No profile Copper Foil”）。

圖48 信號傳輸頻率和與之對應(yīng)的趨膚深度（反應(yīng)出銅箔粗糙度要求）一覽表

眾所周知，材料所使用銅箔的表面粗糙度對會對電路的介電常數(shù)產(chǎn)生影響。由于銅箔表面粗糙度的存在，使得電磁波在電路中的傳播速度變慢，相對于非常光滑的銅箔表面，其形成了慢波效應(yīng)，從而使得電路所呈現(xiàn)的介電常數(shù)增加。越粗糙的銅箔表面使電路所呈現(xiàn)出的介電常數(shù)越大，而越光滑的銅箔表面的電路介電常數(shù)越小。同時，不同厚度的材料，即使選用相同銅箔，越薄的材料上銅箔表面粗糙度對電路介電常數(shù)的影響越大，而越厚的材料其影響越小。

下圖49就顯示了基于相同銅箔下的RO3003TM材料，不同材料厚度所呈現(xiàn)出的不同的電路介電常數(shù)（設(shè)計Dk）值。

圖49 相同銅箔材料不同厚度的電路介電常數(shù)（設(shè)計Dk）

大多數(shù)的PCB基材都會壓合幾種不同形式的銅箔，如標準電解銅（Electro Deposited copper），反轉(zhuǎn)銅（Reverse Treated copper）或壓延銅（Rolled copper）。標準ED銅是通過電解的方式，在鈦鼓上逐漸電解沉積成不同厚度的銅箔，通常與鈦鼓接觸面較為光滑，而電解液面較為粗糙。RT銅箔也屬于電解銅，只是將與鈦鼓面相接觸銅箔表面經(jīng)過處理后與基材壓合形成。壓延銅箔是通過輥軋機碾壓銅塊而得，連續(xù)的輥軸碾壓可以得到厚度一致性很好且表面光滑的銅箔。

由于現(xiàn)實的銅箔生產(chǎn)工藝，銅箔的表面粗糙度值不可能固定不變的，銅箔表面形態(tài)總是以不同的高低起伏展現(xiàn)，如圖50所示。因此對于任何銅箔類型，銅箔的粗糙度都存在一定的變化范圍。對于射頻微波應(yīng)用，Rq或者RMS（均方根）值通常被認為較合理的銅箔粗糙度表征方式。對于RO3003TM材料的ED銅箔，其典型的銅箔表面粗糙度的RMS值是 2.0μm，銅箔粗糙度變化的典型值約為0.25μm。越光滑的銅箔其粗糙度變化的值也就越小。

圖50 銅箔表面形態(tài)圖及不同銅箔粗糙度容差

接下來，由于通訊基板材料表面銅箔選擇，走上“越來越低”之“粗糙度”的“必由之路”，對于電路板成功制造及產(chǎn)品最終可靠性保證而言，無疑是面臨著“前所未有”之巨大挑戰(zhàn)。

有道是“天無絕人之路”，具體可行的方法也是林林總總，其加持效果及實戰(zhàn)經(jīng)驗，接下來加以粗略分享。

（1）有機硅偶聯(lián)劑

關(guān)于“有機硅偶聯(lián)劑”，實際是“在下”上個世紀80年代學業(yè)上的“術(shù)業(yè)有專攻”。遙想當年，為國防事業(yè)做過“力所能及”的很大貢獻。

圖51 關(guān)于偶聯(lián)劑的知識

圖52 偶聯(lián)劑發(fā)揮作用之原理及注意點

圖53 偶聯(lián)劑使用不當所導致的電路時效原理

圖54 偶聯(lián)劑提升光滑銅箔附著力的措施解讀

（2）附著力促進劑

隨著現(xiàn)代通訊，傳輸速率的不斷提升，對信號傳輸載體之銅箔的表面輪廓度，或者稱之為銅箔的所謂“粗糙度”，提出了越來越高的要求。

本人春節(jié)前有幸出席并大會進行了報告演講。通過交流，對未來已來之銅箔表面輪廓度要求，有了一個更為直觀的了解。這里，給出德?？萍嫉你~箔系列產(chǎn)品，“窺斑見豹”，以饗讀者。

圖55 德?？萍糣LP/HVLP銅箔產(chǎn)品形態(tài)及指標展示

如此這般，引出下面這節(jié)之“銅箔附著力增強劑”。

圖56 附著力促進劑初認識

圖57 附著力增強劑應(yīng)具備的條件及界面作用力

（3）大金公司PFA膜

作為世界著名企業(yè)，大金公司不僅有“享譽中外”的空調(diào)設(shè)備；還有“鮮為人知”的PTFE系列產(chǎn)品。公司PFA膜產(chǎn)品，不失為一種增強銅箔結(jié)合力的不需“傷筋動骨”的解決方案，見圖58。

圖58 大金公司針對導體損耗和介質(zhì)損耗的解讀

（4）有機鍵合劑

作為一個資深的PCB上下游產(chǎn)業(yè)鏈人士，一輩子大部分時間，“躬身入局”，個中的經(jīng)驗或訣竅，可謂是“信手拈來”。

眾所周知，為了提升多層印制電路板的層間結(jié)合力，以“麥德美”公司為代表的企業(yè)，當然了“安美特”公司也挺牛。也就是所謂：黑膜氧化工藝、棕化工藝、白棕化工藝。

作為一家國內(nèi)的藥水企業(yè)，東碩，也業(yè)已深耕此領(lǐng)域多年，小有收獲，為業(yè)界提供了其獨特的解決方案。詳見下述圖59截圖。

圖59 東碩公司針對銅箔附著力提升的“鍵合劑”簡介

2.6

“無所不能”之

陶瓷的“神來之筆”

縱觀當今全球覆銅板產(chǎn)業(yè)，陶瓷填充物以其“無處不在”、“功能多樣”的特點展現(xiàn)出“小中見大”的潛力，承載著“承先啟后、繼往開來”的使命，持續(xù)發(fā)揚其卓越的功效。

圖60 高性能陶瓷之選用（來源：華正新材）

下圖61隆重推出來自大咖公司，數(shù)十年前給出并總結(jié)出的來自“Ceramic”的著名之“3+1”大功效，羅列在此，聊表敬意。

圖61 針對Ceramic之功能展示

在探討陶瓷粉的“與生俱來”和“天生麗質(zhì)難自棄”的特性時，我們注意到“鼎鼎大名”的R公司在微波高頻基板的研發(fā)和迭代過程中面臨一個不可忽視的挑戰(zhàn)：盡管所選材料具備優(yōu)異的性能指標，但卻缺乏電路板所需的可加工性。這也正是本文所要探討的主題，即“勤能補拙”。

通過引入來自3M公司的空心球陶瓷，R公司成功克服了材料在Z軸方向上的熱膨脹系數(shù)（CTE）問題，有效地彌補了材料的不足，實在是功不可沒。

圖62 著名R公司借助空心球Ceramic解決產(chǎn)品可加工性問題

圖63 前述R公司產(chǎn)品Z軸CTE指標之巨幅改善數(shù)據(jù)

隨著市場的不斷細分與發(fā)展，國內(nèi)涌現(xiàn)出眾多優(yōu)秀的供應(yīng)商，能夠滿足當前及未來通信基板材料的需求。

在“未來已來”的AI浪潮中，基板材料的需求也進入了一個新階段，其中陶瓷材料將發(fā)揮至關(guān)重要的作用。以圣萊特公司的空心玻璃微珠為例，它們在提升5G通信基板材料的介電性能方面展現(xiàn)出了顯著的效果。這無疑證明了陶瓷材料在這一領(lǐng)域的潛力和重要性。

圖64 圣萊特空心玻璃微珠對5G通訊材料的作用

圖65 圣萊特空心玻璃微珠對5G通訊基板材料介電性能的提升

未完待續(xù)