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1、印刷電路板電子構裝 電子與材料第8 期95 高頻基板材料的 技術發展 李政中 南亞塑膠公司 電子材料事業部 副理 隨著資訊電子產品與影視、無線傳輸的快速結合, 以及通訊市場的蓬勃發展, 觸動相關業者對高頻基板的需求明顯大增, 進而帶動PCB朝向高速高頻應用的方向發展。 本文將就各種主要的高頻材料做一簡單介紹, 並針對高頻基板的重要特性、市場現況做一分析, 同時呼籲國內應儘早建立完整的PCB上下游供應鏈, 以加速厚植國內PCB在高階產品的競爭實力。 一、前言 高速高頻之應用是今後PCB板重要 發展趨勢,雖然傳統之FR-4基板仍可持 續滿足目前PCB產業之需求,且占有最 大的市場比重,但隨著資訊產
2、品與影 摘要 視、無線傳輸的快速結合,及通訊市場 高速成長,使高頻基板需求快速增加。 其中樹脂材料是影響基板性質的主要因 素,這些樹脂都是具有耐高溫、低介質 常數與低損失因數的特性。 從圖一可知無線行動設備的傳送速 關鍵詞 介質常數(dielectric constant; permittivity);損失因數(dissipation factor; loss tangent); 高密度互連(high density interconnection, HDI);酸馬來醯胺三氮 樹脂(Bismaleimide Triazine Resin, BT Resin) 印刷電路板電子構裝 電子與材料第8
3、 期96 度與頻率關係,日本預估到2010年第三 代無線行動通訊將以100Mbps傳送速度 作為同步傳送語音、視訊與數據傳輸的 規格,可知無線通訊設備市場會快速興 起,其與基板材料的對應關係如圖二。 在成本與材料性能的考量下,2.4GHz以 下的產品,以標準型FR4 Tg140C即可滿 足需求,但在2.5GHz以上,對材料之性 能要求較高,過去以鐵氟龍(PTFE)基板為 主,但是隨著民生通訊市場的迅速成 長,成本高的PTFE市場逐漸被其它高性 能板材如Cyanate Ester、PPE、BT、改質 環氧樹脂等複合材料取代。 二、各種主要的高頻材料 1. PTFE基板 聚 四 氟 乙 烯 (Po
4、ly Tetrafluoro Ethylene, PTFE)為一相當特殊的高分子材 料,其結構式簡要如下: 由於氟原子帶有極強的陰電性,再 加上其化學結構相當對稱,因此使得氟 碳原子之間的共價鍵變得相當短,形成 內聚力很強的高分子材料,並造就了極 佳抗化學酸鹼性、耐藥品性、耐候性及 抗環境性。以PTFE為主成份之板材,具 有極佳的電氣性質,其樹脂介質常數在 1MHz下為 2.1,為各種有機樹脂中最低 者。但是PTFE板材有許多問題,包括: (1)Tg太低,約19C,鑽孔性不好;(2)壓 合條件不易,加工溫度太高約700F, 壓力太高約1600psi及成型時間長約360 分;(3)化學惰性高,難
5、以活化;(4)PTH 製程中的化學鍍銅孔壁很難鍍牢,需使 用非常強的氧化劑進行孔壁的咬蝕;(5) 價格昂貴。目前部份應用在衛星通訊, 頻率在20GHz以上,基板仍以PTFE系列 為主。 2. Cyanate Ester基板 Cyanate Ester有人稱Cyanate或稱 Triazine,它是將可聚合的-o-cN官能基 交聯接在芳香族支架上的化合物。其單 體結構式代表如下: 簡寫如Nc-o-R-o-cN 其聚合步驟簡示如圖三。 Cyanate Ester的介質常數依R的種類 而有些改變,在1MHz下為2.73.1,損 失因數為0.0030.005,Tg高達240C 左右。由於是加成聚合反應
6、,沒有揮發 物,又其預聚物可溶於一般溶劑如丙 酮、Cellulose Acetate等配成低粘度的溶 (2GHz) (3-10GHz) (30GHz) 20002010 100Mbps 10Mbps 2Mbps Vol.154, 1999 圖一 日本通訊 發展傳送 速度的評 估 F F C F F C 10km 30KHz300KHz3MHz3GHz30GHz300GHz30MHz300MHz 1km100m10m10cm1cm1m1mm LFMFHFVHFUHFSHFEHF mill FM UHF-TV TVPCM FR-4CEM PPE 圖二 各頻段適用的 基板材料 CH3 CH3 CN
7、C OO C N 印刷電路板電子構裝 電子與材料第8 期97 液,易於含浸加工。在180190C之成 型溫度下,其與環氧樹脂的共反應即可 達成充分的交聯反應,達到200CTg與 優良的抗吸水性。 3.PPE基板 聚 二 甲 基 苯 氧 樹 脂 (Poly 2.6- dimethylphenyl Ether, PPE)之介質常數約 2 . 4 2 . 5 , 損 失 因 數 0 . 0 0 1 , 其 Tg210C,耐酸及耐鹼性良好,亦有人 稱PPO。PPE的單體結構如下: 因它是熱塑性樹脂,耐溶劑性欠佳,耐 熱性也不好,所以更有人將PPE改質成熱 固性PPE,如加入 進行共聚合。在側鏈上有雙鍵
8、,可在觸 媒、溫度下進行交聯聚合,形成高密度 的材料,提升耐熱性。但是壓合溫度甚 高,非一般傳統熱壓機所能是其缺點; 而且樹脂溶液粘度高,含浸加工時較困 難。不過就PPE本身,損失因數低,供應 鍵較完整是其優點。 三、高頻基板幾項重要基 本特性 1. 介質常數 印刷電路板所造成之訊號傳遞時間 延遲可以式(1)來表示。 式(1) Td:訊號傳遞時間延遲 l:訊號傳輸長度 Dk:介質常數 C:光速 由式(1)可知,縮短訊號傳輸長度與 降低基板材料的介質常數,均可以減少 訊號傳遞時間延遲。近年來,後者有愈 來愈重要的趨勢。相對地,式(2)表示信 號傳遞速度與板材的 成反比,因此 降低材料的介質常數,
9、便能有效提升傳 遞速度。 式(2) V:訊號傳遞速度 k;常數 C:光速 Dk:介質常數 CC NN OROCN NCORO N N | O | R | O | C | N N NN N N N NN N NN N C CC C O O RR C | O | R | O | C O O O O O O OO CC C C C C R R R R R R (Prepolymer) (Cyclotrimerization) NCOROCN 圖三 Cyanate Ester 由單體聚合的步驟 CH3 CH3 OH2.6 dimethyl phenol N CH CH2 CH CH OH Dk V =
10、k C Dk Td=1 Dk C 印刷電路板電子構裝 電子與材料第8 期98 2.介質常數的測法 我們常碰到客戶詢問各種不同厚度 基板的介質常數是多少?不同布種的膠 片介質常數是多少?二片壓在一起,或 是兩種布種的膠片壓在一起,其介質常 數又是多少?大家都知道,在樹脂種 類、玻璃種類都固定的狀況下,樹脂含 量越高,其介質常數越低。測量的頻率 越高,其值也越低。而測試樣品本身的 厚度也深深影響介質常數的測定值。 依IPC-TM-650 2.5.5.9測量介質常數 的規範: 儀器:Hewlett-Packard 4291A或相 似品 測試樣品: 50x50mm 1.0mm厚度為原則,厚一些薄一 些
11、均可以測。 前處理: 23Cx50%RHx24HRS 若樣品太濕的話,105Cx2HRS 烘乾 我們用IPC-TM-650,2.5.5.9的方法 來測不同布種、不同厚度及純環氧樹 脂,不同厚度的介質常數如圖四,由圖 中可看出,厚度在0.5mm以上介質常數 漸成一致,當厚度越厚,其值就不太變 化。因此,量測介質常數,材料的厚度 應在0.5mm以上,若不足0.5mm厚度的 材料,亦應以相同的樹脂玻璃布比例去 組成厚度在0.5mm以上,所測出來的數 值才是正確的。 3.損失因數 由式(3)可知, 式(3) L:訊號傳遞損失(dB/cm) k:常數 f:頻率 C:光速 Dk:介質常數 Df;損失因數
12、訊號傳遞損失與使用頻率(f),材料 的介質常數 及損失因數Df成正比。 因此,當使用頻率越高時,訊號傳遞損 失愈大。若要有效控制訊號傳遞損失, 則必須降低材料介質常數及損失因數, 而其中損失因數對訊號傳遞品質之影響 比介質常數來得更重要。 圖五為各種基板的傳送損失和頻率 的關係,在6GHz下,環氧樹脂的傳遞 損失為-0.38dB/cm,而PTFE約為-0.034 dB/cm,Cyanate Ester約-0.18 dB/cm, 可見當頻率越高時,FR-4的傳遞損失愈 顯著。 4.吸水率 樹脂的分子構造,極性越低其介質 常數就越低。而水分子為一高極性分 子,其Dk值高達70,殘留在材料中的濕 4
13、.3 4.2 4.1 4 3.9 3.8 3.7 3.6 3.5 3.4 3.3 3.2 3.1 3 2.9 2.8 00.10.20.30.40.50.60.70.80.911.11.2 Thickness (mm) Dk Value 1080 2116 7628 Test Equipment & Method: HP 4291A IPC-TM-650 2.5.5.9 7628 R.C: 41%, 2116 R.C: 50%, 1080 R.C: 62% L=k f/C Dk Df Dk 圖四 不同組成厚度與 Dk值關係(1GHz) 246810121416(GHz) 0.0 -0.1 -0
14、.2 -0.3 -0.4 -0.5 PTFE PPO CE Epoxy(Fr-4) (dB/cm) L = k f/C Dk Df 圖五 各種 基板材料的傳 送損失與頻率 關係 印刷電路板電子構裝 電子與材料第8 期99 氣,會造成PCB板的電氣性質大受影 響,因此如何設計一個分子結構使吸水 率低是高頻基板重要指標。同時,吸水 率過高也會在進行壓合作業時,容易發 生分層,所以材料的除濕及膠片的貯存 管理相當重要。 5.其它 如在PCB製程上的高溫需求,基板 的玻璃轉移溫度必須提高,使具有更好 的耐熱性。且面對未來更嚴苛的可靠性 要求,板材須具有更小的尺寸變化率和 更小的板翹、板扭,特別是鑽孔孔
15、壁品 質與鍍銅的堅牢度,亦是高頻材料須考 量的重要性質。 四、高頻基板市場現況 隨著無線寬頻通訊產品低價普及 化影響,2005年全球寬頻無線通訊硬體 市場產值預測將是2000年的七倍,如圖 六。世界各國政府均積極規劃寬頻執照 的發放,以及中國大陸、南美洲通訊市 場需求等因素而大幅成長。在大哥大基 地台方面,由於系統不斷推陳出新,從 台灣窄頻的GSM系統和日本PHS系統, 轉換到W-CDMA寬頻系統,以及通訊服 務業者競爭激烈,基地台不斷舖設下, 圖七顯示基地台對高頻基板的需求量。 系統廠商為降低製造成本與儘早於亞洲 市場卡位,已逐漸釋放代工訂單到亞 洲,因此通訊板訂單轉進到台灣。這種 趨勢已從
16、手機訂單可以看出來,預料台 灣PCB廠的下一波主力之一將是通訊板 產品。 五、高頻材料的特性 通訊板市場潛力大,然其技術層 次也高,台灣各大PCB廠莫不努力以 赴。但材料仍多由國外進口,交期不但 長,成本也居高不下。尤其交期長,更 是接單的殺手。若能在國內自給自足, 無論是樣品、量產,均能掌握商機。基 於這個緣故,南亞乃發展高頻材料結合 高玻璃轉移溫度、低介質常數、低損失 因數,其商品名NP-LD,它是一種變性 環氧樹脂非DICY硬化,所以吸水率特別 低,Tg為200C,Dk 3.8,Df 0.003。樣 品量產品均可正常提供。 表一為NP-LD和傳統FR-4、市售 PPO/Epoxy材料的介
17、質常數、損失因數 的比較,NP-LDR表厚板,NP-LDTL表薄 板。表二為上述各種材料的一般物性比 較,圖八、圖九、介質常數、損失因數 與頻率的關係,1GHz以上,各種材料的 介質常數呈穩定狀態,而損失因數在 1GHz以下呈拋物線,1GHz以上仍呈逐 步上升趨勢,其中NP-LD變化最穩定。 7,000 6,000 5,000 4,000 3,000 2,000 1,000 0 1900200020012002200320042005 Cahner In-stat Aug, 1999ITIS Africa, Australia Asia Latin America North America
18、Europe U.S Canada South America Western Europe Eastem Europe Russia Japan Row 700 600 500 400 300 200 100 0 199819992000200120022003 ITISApr, 2000 圖六 1999-2005年全球寬頻無線接取硬體市場 圖七 1998-2003 年全球基地台對高 頻基板之需求 印刷電路板電子構裝 電子與材料第8 期100 圖十為NP-LD與FR-4吸水率比 較,它幾乎只有FR-4的一半而 已,所以受到高極性水氣的影 響大大的減少。 除了銅箔基板本身特性的 評估比較外,P
19、CB加工的參 數、相容性及鍍通孔的信賴性 也做一系列的測試。4層板、 板厚1.5mm、孔徑0.35mm和 1.0mm兩種,鑽孔條件如表 三。3000孔後的孔壁品質如 圖十一,孔壁粗度可符合規 範。圖十二比較NP-LD和FR-4 的 CAF(Conductive Anode Filament)特性,孔徑0.35mm, 孔壁到孔壁0.5mm,測試條件 為85C/85%RH/50V持加電 壓,每隔250小時測試絕緣電 阻(測試電壓500V) 。108 以上是標準。圖十二可見NP- LD的絕緣電阻相當穩定。 由於樹脂極性不高,而且 Tg高的最終要求之下,其抗化 學藥品的特性比傳統的FR-4強 很多,所
20、以去膠渣的條件比較 嚴苛,須較強的氧化劑,較長 的製程時間。但做成之的鍍通 孔信賴性比FR-4好,圖十二是 最佳佐証。Tg雖然200C,但 壓合溫度只要185C,一般的 壓合機均可適用。 表一 NP-LC,傳統FR-4、市售PPO/EPOXY材料的介 質常數,損失因數之比較 ThicknessDkDf (mm)1MHz1GHz1MHz1GHz NP-LDR1.63.93.80.00380.003 NP-LDTL0.13.623.310.01640.012 FR-41.64.584.130.01850.012 PPO/EPOXY1.64.133.870.0140.008 NPLD FR-4 PP
21、O/Epoxy 5 4.5 4 3.5 01000200030004000 Frequency, MHz Dielectric Constant, Dk Dielectric Constant - Dk 表二 NP-LDR, FR-4 PPO/EPOXY材料的物性比較 ThicknessTg(C)CTE(ppm/C) PEEL1/2hr PCTVolumeSurface (mm)DSCTMA Before After(loz)WaterHeatResistivity Resistivity TgTgAbsorption ResistanceM-cmM (%) NP-LDR1.620019145
22、28690.10732.410101.11010 NP-LDTL0.12001914328090.49232.410101.11010 FR-41.613812868295100.25032.310103.29109 PPO/EPOXY1.6-1524826490.33431.010101.01010 NPLD NP-140 PPO/Epoxy 01000200030004000 Frequency, MHz 0.024 0.02 0.016 0.012 0.008 0.004 0 Dissipation Factor, Df Dissipation Factor - Df 圖八 介質常數與頻
23、率關係 圖九 損失因數與頻率關係 印刷電路板電子構裝 電子與材料第8 期101 六、結語 台灣PCB在電腦資訊產業方面具有 絕對之競爭優勢,如主機板占全世界 75%以上,筆記型電腦用板近幾年來呈 三級跳式,如今也占有全世界60%以 上,電腦周邊更不在話下,能有如此優 異的成績,與台灣PCB產業在上、中、 下游產業架構非常完整有很大的關係。 但這是指傳統FR-4產業,若是指高 階產品便不盡然。如近年來國內各大 PCB廠積極爭取高階產品,伺服器、工 作站、IC載板、HDI手機板、基地台通訊 板等等,常遇上有些所使用的原材料受 限 於 從 國 外 進 口 , 像 是 增 層 法 材 料 RCC、Fi
24、lm Type,像是IC載板從日本進 BT材料,像是高頻材料從日本進PPE,從 美國進GE的Getek、Isola的FR-408、 Nelco的N系列產品、Roger的RO系列產 品、Arlon的PTFE材料,曠日廢時,交期 長,訂單不易掌握。更甚的是,有些 End-User指定材料或是指定某廠牌,把 手腳都綁死了,總之,這些產品的供應 鏈不夠完整。 爭取高階產品是條不得不走的路, 但是要求永續的發展,建立起如同傳統 FR-4完整的上下游供應鏈也是刻不容緩 的工作,如此才能加速厚植國內PCB在 高階產品經營的實力。 國內產業研發技術的龍頭老大-工研 院,在高頻材料的開發上也有幾項科專 案正進行
25、中,南亞也都積極參與。期待 在高頻材料的行列中,除NP-LD以外有 更多的材料可供客戶選擇。 本文感謝南亞技術處江澤修處長、 林明桐副處長諸位同仁給予甚多的協 助,提供資料、試驗數據、圖片,使文 稿能如期完成交付。更期待同業先進不 吝指教。 NP-LD FR-4 1.400% 1.200% 1.000% 0.800% 0.600% 0.400% 0.200% 0.000% Water Absorption (%) 1/2hr 2.5hr 4.5hr6.5hr8.5hr 10.5hr 12.5hr 14.5hr 16.5hr 18.5hr 20.5hr 22.5hr24.5hr 26.5hr 28.5hr 30.5hr FR-4 NPLD 1.0E+16 1.0E+14 1.0E+12 1.0E+10 1.0E+08 1.0E+06 Insulation Resistance 025050075010001250150017502000 Ageing Time (HRS) 圖十 吸水 率變化比較 表三 NP-LD 4層板的鑽孔條件 Hole Diameter, mil13.839.4 Speed, RPM7560 Feed, IPM65156 Chip load, mil/rev0.872.6 圖十一 孔壁品質 圖十二 CAF測試比較
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