PCB基板材料要求

近年來，PCB市場重點從計算機轉(zhuǎn)向通信，包括基站、服務器和移動終端等，以智能手機為代表的移動通信設(shè)備驅(qū)使PCB向更高密度、更輕薄、更高功能發(fā)展。印制電路技術(shù)離不開基板材料，其中也涉及到PCB用基材的技術(shù)要求。現(xiàn)把基板材料相關(guān)內(nèi)容整理成專文，供業(yè)界參考。

一、PCB板的高密度細線化的需求

1.1 印刷電路板對銅箔的需求

PCB全都向高密度細線化發(fā)展，HDI板尤為突出。在十年前IPC為HDI板下的定義是線寬/線距(L/S)是0.1mm/0.1mm及以下，現(xiàn)在行業(yè)內(nèi)基本做到常規(guī)L/S為60μm，先進的L/S為40μm。日本的2013年版安裝技術(shù)路線圖數(shù)據(jù)是2014年HDI板常規(guī)L/S為50μm，先進的L/S為35μm，試制性的L/S為20μm。

PCB線路圖形形成，傳統(tǒng)的是銅箔基板上光致成像后化學蝕刻工藝(減成法)，減成法制作精細線路的限度最小約在30μm，并且需要用薄銅箔(9~12μm)基板。由于薄銅箔CCL價格高，及薄銅箔層壓缺陷多，較多工廠產(chǎn)生18μm銅箔然后生產(chǎn)中采取蝕刻減薄銅層。這種做法工序多、厚度控制難、成本高，還是希望用薄銅箔為好。還有，PCB線路L/S小于20μm情況下，一般薄銅箔也難以勝任，需要用到超薄銅箔(3~5μm)基板和附于載體的超薄銅箔。

當前精細線路對銅箔要求除了厚度更薄外，同時需要銅箔表面低粗糙度。通常為提高銅箔與基材的結(jié)合力，確保導體抗剝強度，都采取銅箔層粗化處理，常規(guī)的銅箔粗糙度大于5μm。銅箔粗糙的凸峰嵌入基材是提高了抗剝離性，但在線路蝕刻時為控制導線精度不至過蝕刻，容易有嵌入基材凸峰殘留，造成線路間短路或絕緣性下降，對精細線路尤為嚴重。因此需要低粗糙度(小于3μm)的銅箔，甚至更低粗糙度(1.5μm)的銅箔。但銅箔粗糙度降低而導體的抗剝強度仍要保持，需要對銅箔表面及基材樹脂表面作特殊處理，如有開發(fā)出平滑樹脂面上化學鍍銅高結(jié)合力銅箔;如有“分子接合技術(shù)”，是對樹脂基材表面化學處理形成一種官能基團能與銅層密切結(jié)合。

1.2 印制電路板積層絕緣介質(zhì)片的需求

HDI板技術(shù)特點是積成法工藝(BuildingUp Process)，常用的涂樹脂銅箔(RCC)，或者半固化環(huán)氧玻璃布與銅箔層壓的積層難以達到精細線路。現(xiàn)在趨于采用半加成法(SAP)或改進型半加工法(MSAP)，即采用絕緣介質(zhì)膜積層，再化學鍍銅形成銅導體層，因銅層極薄容易形成精細線路。

半加成法技術(shù)重點之一是積層介質(zhì)材料，為符合高密度細線路要求對積層材料提出介質(zhì)電氣性、絕緣性、耐熱性、結(jié)合力等要求，以及與HDI板工藝適應性。目前國際上的HDI積層介質(zhì)材料主要是日本味之素公司的ABF/GX系列產(chǎn)品，以環(huán)氧樹脂搭配不同固化劑，以添加無機粉末提高材料剛性及減少CTE，也有使用玻纖布增強剛性。另有日本積水化學公司的類似薄膜積層材料，臺灣工研院也開發(fā)了此類材料。ABF材料也在不斷改進發(fā)展，新一代積層材料特別要求表面低粗化度、低熱膨脹率、低介質(zhì)損耗及薄型剛強化等。

全球半導體封裝中IC封裝載板由有機基板取代陶瓷基板，倒裝芯片(FC)封裝載板的節(jié)距越來越小，現(xiàn)在典型的線寬/線距為15μm，接下來會更細。多層的載板性能重點要求低介電性、低熱膨脹系數(shù)和高耐熱性，在滿足性能目標基礎(chǔ)上追求低成本的基板?，F(xiàn)在精細線路批量化生產(chǎn)基本都采用絕緣介質(zhì)積層結(jié)合壓薄銅箔的MSPA工藝。用SAP方法制造L/S小于10μm電路圖形。

PCB達到更密更薄則HDI板技術(shù)從含芯板積層發(fā)展為無芯板任意層互連積層(Any layer)，同樣功能的任意層互連積層HDI板比含芯板積層HDI板面積和厚度可減少約25%。這些必須使用更薄的并保持電性能良好的介質(zhì)層。

二、印刷電路板的高頻高速化需求

電子通信技術(shù)從有線到無線，從低頻、低速到高頻、高速?，F(xiàn)在的手機性能已進入5G，就是有更快傳輸速度、更大傳輸容量。全球云計算時代到來使數(shù)據(jù)流量成倍增加，通訊設(shè)備高頻高速化是必然趨勢。PCB為適合高頻、高速傳輸?shù)男枰?，除了電路設(shè)計方面減少信號干擾與損耗，保持信號完整性，以及PCB制造保持符合設(shè)計要求外，重要的是有高性能基材。

設(shè)計工程師為解決PCB增加速度和信號完整性，主要是針對電信號損失屬性?；倪x擇的關(guān)鍵因素介電常數(shù)(Dk)與介質(zhì)損耗(Df)，當Dk低于4與Df 0.010以下為中Dk/Df級層壓板，當Dk低于3.7與Df 0.005以下為低Dk/Df級層壓板，現(xiàn)在有多種基材進入市場可供選擇。

目前較多采用的高頻電路板基材主要是氟系樹脂、聚苯醚(PPO或PPE)樹脂和改性環(huán)氧樹脂這三大類材料。氟系介質(zhì)基板，如聚四氟乙烯(PTFE)介電性能最低，通常應用在5GHz以上。另外還有用改性環(huán)氧FR-4或PPO基材，可用于1GHz~10GHz之間的產(chǎn)品。這三大類高頻基板材料,以環(huán)氧樹脂成本最便宜,而氟系樹脂最昂貴;從介電常數(shù)、介質(zhì)損耗、吸水率和頻率特性考慮,氟系樹脂最佳,環(huán)氧樹脂較差。當產(chǎn)品應用的頻率高過10GHz時,只有氟系樹脂印制板才能適用。但PTFE其不足之處除成本高外是剛性差，及熱膨脹系數(shù)較大。

對于聚四氟乙烯(PTFE)而言，為改善性能用大量無機物(如二氧化硅SiO2)填充材料或玻璃布作增強，來提高基材剛性及降低其熱膨脹性。另外因聚四氟乙烯樹脂本身的分子惰性，造成不容易與銅箔結(jié)合性差，因此更需與銅箔結(jié)合面的特殊表面處理。處理方法上有聚四氟乙烯表面進行化學蝕刻或等離子體蝕刻，增加表面粗糙度或者在銅箔與聚四氟乙烯樹脂之間增加一層粘合膜層提高結(jié)合力，但可能對介質(zhì)性能有影響,整個氟系高頻電路基板還需要進一步開發(fā)。

由改性環(huán)氧樹脂或由聚苯醚(PPE)和偏苯三酸酐(TMA)、二苯甲烷二異氰酸酯(MDI)及雙馬來酰亞胺(BMI)合成unique的獨特絕緣樹脂，與玻璃布構(gòu)成類似FR-4覆銅板在現(xiàn)階段被選擇較多，因為具有優(yōu)秀的耐熱性和介電性、機械強度，并compat兼有常規(guī)PCB的加工性，會比PTFE類基板更受歡迎。

玻璃布在基板中拖了Dk后腿，E玻璃布之Dk6.6(1MHz)，環(huán)氧樹脂Dk 3.6(1MHz)，組成FR-4的Dk 4.2~4.8。新型NE玻璃布Dk 4.4，組成FR-4的Dk 4.0左右。采用新型NE玻璃布是降低Dk的有效方法。

例如，松下推出的Megtron 6高頻基板使用聚苯醚(PPO)為主要樹脂，Dk=3.4，Df=0.0015(1GHz)。日本利昌工業(yè)也使用聚苯醚為主體樹脂的基板，推出的CS-3376CN新基板其Dk=3.1，類同于PTFE基板。三菱瓦斯新的BT樹脂基板由調(diào)整BT與環(huán)氧樹脂比例，比其原有BT基板的介電特性要低近60%。依索拉的Tachyon-100G基材具有PTFE類同的電氣性能，及具有FR-4類同的PCB加工條件，在40GHz下Dk 3.0和Df 0.002，達到傳送100千兆位以太網(wǎng)（100GbE）的需要。

對高頻用覆銅板除了上述樹脂等絕緣材料性能有特殊要求外，導體銅的表面粗糙度(輪廓)也是影響信號傳輸損耗的一個重要因素，這是受集膚效應(Skin Effect)的影響。集膚效應為高頻信號傳輸時在導線產(chǎn)生電磁感應，在導線截面中心處電感較大，使得電流或信號趨于導線表面集中。導體表層粗糙度影響到傳輸信號損失，表面光滑損失小。

在相同頻率下，銅表面粗糙度越大，信號損耗越大，所以我們在實際生產(chǎn)中盡可能控制表面銅厚的粗糙度，粗糙度在不影響結(jié)合力的情況下越小越好。特別是對10 GHz以上范圍的信號。在10 GHz時銅箔粗糙度需要低于1μm，使用超平面銅箔(表面粗糙度0.04μm)效果更佳。銅箔表面粗糙度還需結(jié)合適宜的氧化處理和粘合樹脂系統(tǒng)。在不久的將來，會有一種幾乎沒有輪廓的涂有樹脂的銅箔，能有更高的剝離強度并且不影響介質(zhì)損耗。

三、印制電路板的高耐熱散熱性需求

伴隨著電子設(shè)備小型化、高功能，產(chǎn)生高發(fā)熱，電子設(shè)備的熱管理要求不斷增加，選擇的一個解決方案是發(fā)展導熱性印制電路板。能耐熱和散熱PCB的首要條件是基板的耐熱與散熱性，目前對基材通過樹脂改進與添加填料在一定程度上提高了耐熱與散熱性，但這導熱性改善是非常有限的。典型的是采用金屬基板（IMS）或金屬芯印制電路板，起到發(fā)熱組件的散熱作用，比傳統(tǒng)的散熱器、風扇冷卻縮小體積與降低成本。

鋁是一種很有吸引力的材料，它資源豐富、成本低、良好的導熱性能和強度，及環(huán)境友好，目前金屬基板或金屬芯多數(shù)是金屬鋁。鋁基電路板的優(yōu)點有簡易經(jīng)濟、電子連接可靠、導熱和強度高、無焊接無鉛環(huán)保等，從消費品到汽車、軍品和航天都可設(shè)計應用。金屬基板的導熱性和耐熱性無需置疑，關(guān)鍵在于金屬板與電路層間絕緣粘結(jié)劑之性能。

目前熱管理的驅(qū)動力重點在LED，LED的輸入功率有近80%轉(zhuǎn)換成熱，因此LED的熱管理問題深受重視，重點是LED用基板的散熱性。高耐熱環(huán)保型散熱絕緣層材料的構(gòu)成，為切入高亮度LED照明市場打下基礎(chǔ)。

四、PCB板的撓性和印制電子及其它需求

4.1 撓性板需求

電子設(shè)備的小型化、輕薄化，必然大量使用撓性印制電路板(FPCB)和剛撓結(jié)合印制電路板(R-FPCB)。全球的FPCB市場目前估計約130億美元，預計每年增長率高于剛性PCB。

隨著應用面的擴大，除了數(shù)量增加也會有許多新的性能要求。就聚酰亞胺膜有無色透明、白色、黑色和黃色等不同種類，具有高耐熱與低CTE性能，以適合不同場合使用。成本效益佳的聚酯薄膜基板同樣有市場，新的性能挑戰(zhàn)有高彈性、尺寸穩(wěn)定性、膜表面品質(zhì)，以及薄膜的光電耦合性和耐環(huán)境性等，以滿足最終用戶不斷變化的要求。

FPCB與剛性HDI板一樣要適應高速度和高頻率信號傳輸要求，撓性基材的介電常數(shù)和介電損耗同樣必須關(guān)注，可利用聚四氟乙烯和先進的聚酰亞胺基板構(gòu)成撓性電路。在聚酰亞胺樹脂中添加無機粉末和碳纖維填料，可產(chǎn)生一種三層結(jié)構(gòu)的可撓曲導熱基板。選用無機填料有氮化鋁(AlN)、氧化鋁(Al2 O 3)和六角形氮化硼(HBN)。該基材有1.51W/mK導熱性，可經(jīng)受2.5kV耐電壓、180度彎曲試驗。

FPCB應用市場如智能手機、可穿戴設(shè)備、醫(yī)療設(shè)備、機器人等，對FPCB性能結(jié)構(gòu)提出新要求，開發(fā)出FPCB新產(chǎn)品。如超薄撓性多層板，四層FPCB從常規(guī)的0.4mm減薄至約0.2mm；高速傳輸撓性板，采用低Dk和低Df聚酰亞胺基材，達到5Gbps傳輸速度要求；大功率撓性板，采用100μm以上厚導體，以適應高功率大電流電路需要；高散熱金屬基撓性板是局部使用金屬板襯底之R-FPCB；觸覺感應性撓性板，由壓力傳感膜和電極夾在兩個聚酰亞胺薄膜之間，組成撓性觸覺傳感器；可伸縮撓性板或剛撓結(jié)合板，其撓性基材為彈性體，金屬導線圖案的形狀改進成為可伸縮。這些特殊的FPCB當然需要非常規(guī)的基材。

4.2 印制電子需求

印制電子近幾年勢頭興盛，預測到2020年代中期印制電子將有超3000億美元的市場。印制電子技術(shù)應用于印制電路產(chǎn)業(yè)，是印制電路技術(shù)的一部分，這在行業(yè)內(nèi)已成共識。印制電子技術(shù)最接近FPCB，現(xiàn)在已有PCB制造商投入印制電子，他們從撓性板開始，用印制電子電路(PEC)替代印制電路板(PCB)。目前基材和油墨材料繁多，一旦性能與成本有突破就會大量應用，PCB制造商不要錯失機會。

印制電子目前重點應用是低成本的制造射頻識別（RFID）標簽，可以成卷印刷完成。潛在的是印刷顯示器、照明和有機光伏領(lǐng)域?？纱┐骷夹g(shù)市場是當前新興的一個有利市場?？纱┐骷夹g(shù)各種產(chǎn)品，如智能服裝和智能運動眼鏡，活動監(jiān)視器，睡眠傳感器，智能表，增強逼真的耳機、導航羅盤等。可穿戴技術(shù)設(shè)備少不了撓性電子電路，將帶動撓性印制電子電路的發(fā)展。

印制電子技術(shù)的重要一方面是材料，包括基材和功能性油墨。撓性基材除現(xiàn)有FPCB適用外，也開發(fā)更高性能基材，目前有陶瓷和高分子樹脂混合構(gòu)成的高介電基板材料，還有高溫基材、低溫基材和無色透明基材、黃色基材等。

4.3 埋置元件板需求

埋置元件印制電路板(EDPCB)是實現(xiàn)高密度電子互連的一種產(chǎn)品，埋置元件技術(shù)在PCB有很大的潛力。埋置元件技術(shù)有成型元件埋置法、印制元件埋置法，印制元件又分為厚膜元件與薄膜元件。制作薄膜元件需要特種基板，如覆銅板的銅箔下層含有鎳磷合金箔，供制作薄膜電阻;雙面覆銅板間夾有高介電常數(shù)基材供制作平面電容，形成埋置無源元件印制板。還有開發(fā)填充陶瓷粉末的聚合物復合材料，具有介電常數(shù)高、高頻率下介質(zhì)損耗小、電介質(zhì)層厚度薄，可制作PCB內(nèi)層射頻電容。埋置元件擴展到撓性印制板范疇，聚酰亞胺覆銅板也考慮制作薄膜元件的聚酰亞胺覆銅板。

4.4 PCB板的其它特殊需求

現(xiàn)在又有激光直接構(gòu)件(LDS：Laser Direct Structuring)技術(shù)開發(fā)，可以用于制造電子電路和元件集成的模型互連器件，LDS工藝采用熱塑性塑料和金屬氧化物材料，由激光成型和電路金屬化。3D打印技術(shù)在試圖用于PCB制造，電路圖形不局限于二維平面，成為立體構(gòu)件，此技術(shù)也需要熱塑性高分子材料。

新興的醫(yī)療電子設(shè)備開始登場，其中有部分裝置是植入身體的，如用于血糖傳感性、診療導管和人工耳蝸等，其采用的PCB基材是生物惰性基材(PI或LCP)，選用的導體是穩(wěn)定的純貴金屬(金、鉑)。

總結(jié)

以上PCB技術(shù)發(fā)展熱點是閱看近期印制電路行業(yè)相關(guān)資料信息，歸納而成。認識難免有偏見或不完全之處，僅供參考。物聯(lián)網(wǎng)、智慧家庭、智慧城市提出，將是電子信息產(chǎn)業(yè)新的增長點，將會配置許多新的電子設(shè)備，也就會有許多新的PCB及其基材需求，需早作準備，及時加入。

以上就是我們深圳市組創(chuàng)微電子有限公司為您介紹的印制電路技術(shù)發(fā)展與對基材的要求。如果您有智能電子產(chǎn)品的軟硬件功能開發(fā)需求，可以放心交給我們，我們有豐富的電子產(chǎn)品定制開發(fā)經(jīng)驗，可以盡快評估開發(fā)周期與IC價格，也可以核算PCBA報價。我們是多家國內(nèi)外芯片代理商：松翰、應廣、杰理、安凱、全志、realtek，有MCU、語音IC、藍牙IC與模塊、wifi模塊。我們的擁有硬件設(shè)計與軟件開發(fā)能力。涵蓋了電路設(shè)計、PCB設(shè)計、單片機開發(fā)、軟件定制開發(fā)、APP定制開發(fā)、微信公眾號開發(fā)、語音識別技術(shù)、藍牙wifi開發(fā)等。還可以承接智能電子產(chǎn)品研發(fā)、家用電器方案設(shè)計、美容儀器開發(fā)、物聯(lián)網(wǎng)應用開發(fā)、智能家居方案設(shè)計、TWS耳機開發(fā)、藍牙耳機音箱開發(fā)、兒童玩具方案開發(fā)、電子教育產(chǎn)品研發(fā)。