了解pcb基材對pcb印制電路板產(chǎn)業(yè)的重要性

了解pcb基材對pcb印制電路板產(chǎn)業(yè)的重要性

印制電路產(chǎn)業(yè)的命脈是否把握在自己手中?

1、印制電路板基材

中國是世界印制電路制造大國，但不是強國， 有不少技術(shù)還落后于美日歐這些發(fā)達(dá)國家。印制電路板(PCB)制造的關(guān)鍵首先是原材料——基材，沒有基材就無法制造PCB，此等于“巧媳婦難為無米之炊”。

PCB基材包括基板(覆銅箔層壓板)、預(yù)浸材料(半固化片)和銅箔等， PCB的許多主要性能是由基材決定的，如機械強度、介電性能、尺寸穩(wěn)定性、耐熱性和耐燃燒性等。如機械強度差、電氣性能低的酚醛紙基覆銅箔層壓板制成的PCB，只能用于普通的消費類電子設(shè)備中或高性能高可靠電子設(shè)備中，PCB必須用高性能的環(huán)氧玻璃布基覆銅箔層壓板或者聚四氟乙烯與液晶聚合物等樹脂的基板，只有門當(dāng)戶對好的基因才有好的結(jié)果。因此，應(yīng)把基材視作PCB的命脈?，F(xiàn)在，就產(chǎn)量而言中國已是PCB基材世界第一生產(chǎn)大國，但有些高性能基材還缺乏國產(chǎn)，依賴進口。

PCB制造工藝技術(shù)在中國并不弱，憑中國人的聰明與勤勞，只要具備相應(yīng)材料和設(shè)備條件，再復(fù)雜的PCB產(chǎn)品都能制造出來?，F(xiàn)在國內(nèi)企業(yè)制造出各種高性能特種PCB，包括埋置元件、埋嵌銅塊、金屬基散熱、高頻混壓等類型PCB都達(dá)到國際先進水平，在中國PCB制造企業(yè)能工巧匠倍出。然而，新一代高性能PCB所用高性能基材卻還依賴于國外進口，突出的是高頻高速用基材與高導(dǎo)熱性基材。國內(nèi)多家PCB制造企業(yè)制造出了多種特種PCB，如“適用于5 G通訊的56 Gbps超高速印制電路板”、“5 G車聯(lián)網(wǎng)高密度互聯(lián)模塊”等，經(jīng)專家鑒定當(dāng)屬國際先進水平的PCB產(chǎn)品成果，但他們所用基材是國外產(chǎn)品。

5G時代即將來臨，5G意味著第五代移動網(wǎng)絡(luò)，并不局限于手機通訊，從物聯(lián)網(wǎng)、智慧城市到無人駕駛汽車，都需要5G。5G商用服務(wù)將于2018年開始使用固定無線，通常為高頻(例如28 GHz或39 GHz)。移動網(wǎng)絡(luò)部署將從2020年起逐步展開，事實上，幾家通訊公司正在計劃今年晚些時候發(fā)布5G網(wǎng)絡(luò) 。

5G分為兩個領(lǐng)域;最初是小于6GHz的市場，小于6GHz的技術(shù)可以和現(xiàn)在使用的材料兼容;另一個領(lǐng)域是毫米波，頻率是28GHz。由于毫米波的頻率非常高，所以對材料的要求有了很大改變，要求材料必須是低損耗 。影響微帶電路上產(chǎn)生插入損耗的因素除絕緣體外，銅導(dǎo)體也變得更加關(guān)鍵。這主要由銅的光滑程度決定，因為在頻率非常高的環(huán)境下，會出現(xiàn)集膚效應(yīng)，所以銅箔的粗糙程度等因素就變得更加重要。電子設(shè)備不同頻率有不同的設(shè)計要求，為適合不同頻率的電路就需要具有不同特性的電路材料支持。通常損耗會隨著頻率的增加而增加，而根據(jù)電路材料的類型，插入損耗或損耗因子會或大或小。對于微波頻率，電路材料關(guān)鍵參數(shù)(介電常數(shù)Dk)的要求有很大不同，例如用于5G系統(tǒng)的6GHz及以下的微波頻率，以及用于5G無線網(wǎng)絡(luò)的短距離回傳鏈路的30 GHz及以上毫米波頻率，其設(shè)計要求就為每個頻段選擇最佳電路材料以最好地支持不同頻率范圍。

在尋找適用于5G應(yīng)用的微波和毫米波功率放大器的電路材料時，除了介電性能Dk、Df外，還需能夠進行有效熱管理的電路材料，因為其自身的有源器件會導(dǎo)致熱量增加。評估材料的熱性能有通常認(rèn)為基材熱導(dǎo)率需在0.5 W / m·K兩項參數(shù)導(dǎo)熱率和介電常數(shù)溫度系數(shù)(TCDk)?；蚋??；牡腡CDk理想為0 ppm /℃，即Dk不會隨溫度的改變而改變，但實際基材的Dk值會隨著溫度的變化而變化，通常認(rèn)為TCDk不大于0.005%/℃是很好。對于5G系統(tǒng)中的放大器和其他電路，要求電路基材具有低Dk、Df和低TCDk值，以及高導(dǎo)熱率，以制造出優(yōu)質(zhì)、高性能、高頻率的功率放大器。

新一代PCB重點著眼于5G通訊和汽車電子領(lǐng)域，使PCB體現(xiàn)出高頻高速特性和高散熱特性。要達(dá)到高頻高速和高散熱性能要求，除了設(shè)計和制造因素外，特別重要的是基材。因此，應(yīng)該把基材視作PCB的核心技術(shù)，尤其高性能基材是高性能PCB之命脈。

2、高性能基材之差距

為滿足5G傳輸速率提升的需求，高頻通信、大規(guī)模天線技術(shù)和有源天線(AAU)技術(shù)將廣泛應(yīng)用，許多不同類型的高頻電路，包括功率放大器(PA)，需要適當(dāng)?shù)碾娐凡牧?。直接推?***射頻前端高頻CCL材料(PTFE和碳?xì)浠衔飿渲?需求提高至4 G的15~20倍。高頻材料的核心要求是低介電常數(shù)(Dk)和低介電損耗因子(Df)，目前主流高頻產(chǎn)品是通過使用聚四氟乙烯(PTFE)及碳?xì)浠衔飿渲牧蠈崿F(xiàn)，美日廠商羅杰斯(55%)Park/Nelco(22%)、Isola(9%)和中興化成(5%)等占據(jù)全球主要市場份額，其中羅杰斯PTFE市場份額在90%以上[5]。目前，羅杰斯等公司的高性能覆銅板（CCL）占據(jù)了我國高性能PCB市場，當(dāng)前的高頻高速PCB用基材幾乎都用國外公司的規(guī)格號。

2.1 國外的高性能基材例

查閱一些覆銅箔層壓板(CCL) 等PCB基材制造企業(yè)的產(chǎn)品技術(shù)信息， 國際先進的CCL制造商有羅杰斯(Roger s)、依索拉(Isola)、派克電化學(xué)(Park Electrochemica)、泰康尼克(Taconic)、騰輝(ventec)、松下(Panasonic)等?，F(xiàn)以松下、騰輝、羅杰斯的一些典型產(chǎn)品為代表看其先進性。如松下公司超低損耗多層板基材MEGTRON7，型號R-5785N(CCL)、R-5680(Pp)，在1 GHz時Dk為3.37、Df為0.001，在12GHz時Dk為3.35、Df為0.002。這是一種工業(yè)傳輸損耗最低的多層電路板材料，滿足高端網(wǎng)絡(luò)設(shè)備大容量、高速傳輸?shù)囊?，有助于提高其信號處理性能?/span>

松下公司新近推出一種適用于半導(dǎo)體封裝和模塊的超低傳輸損耗電路板材料， 產(chǎn)品型號為R-G545 L/R-G545 E、預(yù)浸料R-G540L/R-G540E。R-G545L的T g230℃ 、CTE( x ,y - a x i s ) ( 0 . 0 0 1%/ ℃ ) 、CTE( z - a x i s )(0.0022%/℃)，12 GHz時Dk3.5、Df 0.0026，吸水率0.06%。

羅杰斯公司有一系列高頻高速和高導(dǎo)熱基材，其CCL的構(gòu)成有聚四氟烯(PTFE)樹脂玻璃布增強類、PTFE樹脂填充陶瓷類、PTFE樹脂填充陶瓷玻璃布增強類、改性環(huán)氧樹脂填充陶瓷類、碳?xì)錁渲畛涮沾深?、碳?xì)錁渲畛涮沾刹ＡР荚鰪婎悺⑻畛涮沾蔁峁谈叻肿泳酆衔镱?、聚醚醚?PEEK)樹脂玻璃布增強類等。如其天線級玻璃布PTFE基板AD250CTM在10GHz時Dk為2.50、Df為0.0013，交叉層疊玻璃布PTFE基板CuClad 217在10 GHz時Dk為2.17、Df為0.0009; 如PTFE加陶瓷RO3003 TM在10GHz時Dk為3.0、Df為0.0010;如天線級碳?xì)浠衔锛犹沾膳c玻璃布RO4725JXRTM在10 GHz時Dk為2.64、Df為0.0026，碳?xì)浠衔锛犹沾蒚TM3在10 GHz時Dk為3.45、Df為0.0020;如聚醚醚酮XT/duroid8000在10 GHz時Dk 為3.3、Df 為0.0035; 還有如高導(dǎo)熱性的改良型環(huán)氧玻璃布基板92 MLTM導(dǎo)熱率2.0 W/m·K。

特別注意的是，羅杰斯公司不是簡單地提供高性能基材， 而是提供先進連接解決方案(ACS)。不但推出各種高性能CCL與粘結(jié)片產(chǎn)品，同時有各種產(chǎn)品的具體性能與應(yīng)用領(lǐng)域介紹以及PCB設(shè)計與加工技術(shù)指南。羅杰斯公司一直與微波及RF工程師有密切聯(lián)系，有一支非常優(yōu)秀的技術(shù)服務(wù)團隊與PCB制造商及合作伙伴緊密合作，提供與設(shè)計和處理技術(shù)有關(guān)的幫助。在電氣設(shè)計師、制造商和材料供應(yīng)商之間形成了一種高效合作關(guān)系。這些舉措也是他們的基材被更多的PCB制造商選用的重要因素。在高導(dǎo)熱基材方面騰輝公司的產(chǎn)品較為突出，如金屬基覆銅板可選擇不同的襯底、絕緣層，導(dǎo)熱率從1 W/m·K到10 W/m·K各種規(guī)格齊全，型號VT-4B7的導(dǎo)熱率7.0 W/m·K，型號VT-4B9的導(dǎo)熱率10.0 W/m·K。另有適用于多層PCB的以陶瓷填充的高導(dǎo)熱層壓板和預(yù)浸材料。(型號VT-5A2)，導(dǎo)熱率2.2 W/m·K是FR-4的8倍。

2.2 國內(nèi)的高性能基材例

國內(nèi)領(lǐng)先的CCL制造企業(yè)，如2017年國內(nèi)CCL產(chǎn)量排名靠前公司：廣東生益科技、金安國紀(jì)科技、山東金寶電子、南亞新材料科技、浙江華正新材料、DVD、V2V等品牌。除山東金寶電子僅紙基覆銅板外，已有或正在推出高性能的CCL與粘結(jié)片(PP)新基材，現(xiàn)摘錄如下：

2.2.1 高頻高速基材方面

廣東生益科技公司的高速電路基材：S7045G/S7045GB，1 GHz時Dk為4.4、Df為0.010，5 GHz時Dk為4.5、Df為0.015，高Tg無鹵素，較低Z軸CTE。應(yīng)用領(lǐng)域：通訊、服務(wù)器、****、背板、線卡、高性能計算機、辦公路由器等。射頻和微波電路基材：S7136H，10 GHz時Dk為3.42、Df為0.0030，屬于電子級玻璃纖維布增強無機陶瓷填料和碳?xì)漕悩渲瑥?fù)合介質(zhì)材料。不同頻率下穩(wěn)定的介電能性，Z 軸膨脹系數(shù)低，優(yōu)異的尺寸穩(wěn)定性。應(yīng)用領(lǐng)域：高頻無線通訊、高速計算機、衛(wèi)星信號傳輸設(shè)備、微帶和蜂窩****、天線和功率放大器。這些基材的介電性能接近于低損耗范圍，雖其應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，但深度尚不明確。

南亞新材料科技公司有高速電路(甚低損耗)CCL：NY6300，1 GHz時Dk為3.7、Df為0.002 ，10 GHz時Dk為3.6、Df為0.004。另有微波/射頻用電子級玻璃布增強聚四氟乙烯基CCL，僅見型號(NYHP-220D、255D、265D)，卻未有具體性能規(guī)格數(shù)值。

浙江華正新材料公司高頻材料有H5300、H5220，適用于****天線、機載、地面和水面雷達(dá)系統(tǒng)。這些產(chǎn)品僅見測試數(shù)據(jù)10GHz時Dk為3.0、2.2，Df為0.0020、0.0009，不知是否商品化及商品化時規(guī)格值是多少?

2.2.2 高導(dǎo)熱基材方面

廣東生益科技公司有高導(dǎo)熱FR-4、導(dǎo)熱粘結(jié)片(ST115 、ST115B), 導(dǎo)熱率1.5 W/m·K。優(yōu)良的散熱性是普通RF-4的3~4倍，此外具有優(yōu)良的耐熱性和絕緣可靠性以及相對優(yōu)秀的加工性和低Z 軸熱膨脹系數(shù)。(應(yīng)用領(lǐng)域：汽車電子設(shè)備、高亮度LED、電源電路、DC整流器)。有鋁基覆銅板SAR15、SAR20，絕緣層為膠膜，導(dǎo)熱率為1.5 W/m?K 、2.0 W/m?K。無鹵高CTI產(chǎn)品，優(yōu)良的散熱性，優(yōu)良的剝離強度，優(yōu)秀的耐熱性和絕緣可靠性，優(yōu)秀的加工性。(應(yīng)用領(lǐng)域：中功率LED照明、LED電視機、電源電路)。

金安國紀(jì)科技公司有鋁基覆銅板，按導(dǎo)熱性能區(qū)分包含≤1.0 W/(m?K)、1.0到1.5 W/(m?K)、大于1.5≤2.0 W/(m?K)等多個系列。適用于LED照明、LED電視、功率放大器、交換機、汽車電子設(shè)備、輸入輸出放大器、DC/AC轉(zhuǎn)換器、整流器、高功率晶體管等行業(yè)。

華正新材料公司也有散熱性金屬基覆銅板和粘結(jié)片，而其導(dǎo)熱率并非突出，不再多述。另外，看看國內(nèi)稍有名氣的專業(yè)生產(chǎn)特種基材企業(yè)的產(chǎn)品，如專業(yè)生產(chǎn)金屬基覆銅板的常州市超順電子技術(shù)有限公司，其認(rèn)為接近國際先進水平的產(chǎn)品鋁基覆銅板CCAF-06型導(dǎo)熱率為2.5~2.8 W/m·K。專業(yè)生產(chǎn)聚四氟乙烯基材的泰州市旺靈絕緣材料廠，其聚四氟乙烯玻璃布覆銅箔板F4B255，10 GHz時Dk為2.55、Df為0.0015。該產(chǎn)品介電常數(shù)與介質(zhì)損耗由于PTFE樹脂因素確實是低的，但TCDk值等綜合指標(biāo)還是有差距的。

對于高性能基材的要求，除了介電常數(shù)、介質(zhì)損耗這些指標(biāo)外，還有耐熱性、散熱性、熱膨脹系數(shù)、吸水性等相關(guān)指標(biāo)需要考慮。高性能基材還體現(xiàn)在樹脂與填料類型、編織玻璃布結(jié)構(gòu)、銅箔低粗糙度等。其它還有些高性能的基板材料，如集成電路封裝載板用基材、撓性PCB用液晶聚合物(LCP)樹脂基材等，尚未見國產(chǎn)同類的商品化基材。

3、結(jié)束語

印制電路板是在絕緣基材上布設(shè)導(dǎo)電電路的產(chǎn)品，其多項重要性能決定于基材固有特性，因此把PCB基材技術(shù)視作PCB的核心技術(shù)。尤其對于高性能PCB，更顯高性能基材的核心地位，它是新一代PCB之命脈。

上述對現(xiàn)有國內(nèi)外先進的高性能基材作了簡要比較，可能孤陋寡聞，國內(nèi)先進水平的基材產(chǎn)品有所遺漏。但當(dāng)前羅杰斯等國外公司的高性能基材占據(jù)中國高端PCB的絕大多數(shù)，在行業(yè)內(nèi)大家都能感知，事實說明國產(chǎn)與國際先進基材的差距。

電子信息產(chǎn)業(yè)快進入5 G時代，5 G來了!幾乎各行各業(yè)都在為5 G這塊大蛋糕切得一角摩拳擦掌。印制電路板同樣如此，國內(nèi)許多PCB制造公司已經(jīng)拿出了可供5 G通訊設(shè)備用的PCB產(chǎn)品，然而這些高性能PCB所用高性能基材幾乎都依賴于國外進口。

我國通訊設(shè)備制造商華為、中興是進入5 G時代的引領(lǐng)先鋒，擁有雄厚的先進技術(shù)實力。但美國對中興公司一個封殺令，讓中興公司趴下，本以為在進入5 G時代實現(xiàn)彎道超車，結(jié)果成了翻車。其原因也很簡單：中興的通訊設(shè)備集成電路芯片都來自美國公司，沒有自己的芯片，國內(nèi)也沒有高性能芯片?，F(xiàn)在美國卡住了芯片，就沒有中興的活路，命脈在他人手中。先進產(chǎn)品沒有自己的核心技術(shù)，好似高樓大廈沒有扎實的根基，一有風(fēng)吹草動就會傾覆。

這次中興事件對我們印制電路產(chǎn)業(yè)也是一種啟示，核心技術(shù)受制于人，命脈在他人手中是產(chǎn)業(yè)發(fā)展的隱患。假若美國也來一個高性能基材不允許出口中國的禁令，那么我們的5 G用高性能PCB拿什么基材生產(chǎn)?在自由世界、市場經(jīng)濟環(huán)境下，這種假設(shè)可能完全是杞人憂天，但在當(dāng)下的“白宮貿(mào)易盲動癥”情況下仍需警示。

國內(nèi)的PCB用基材制造企業(yè)正在努力開發(fā)。推出高性能基材，努力接近國際先進水平。目前國內(nèi)已有國家電子電路基材工程技術(shù)研究中心和多家省市級基材技術(shù)研究開發(fā)中心，相信他們能開發(fā)出先進的高性能基材。希望早日實現(xiàn)高性能基材國產(chǎn)化，掌握產(chǎn)業(yè)核心技術(shù)，緊懷產(chǎn)業(yè)發(fā)展主動權(quán)，命脈在自己人手中才能趕超國際先進水平。此時即便沒有領(lǐng)先一步，也能平駕齊趨。