杨盟辉
摘 要 随着高频化PCB技术与产品占有越来越重要的地位，高频电路基板材料的发展也出现了高速化，其中比较重要的一方面就是低介电常数和低介质损耗因数的材料的选择，这是PCB基板材料实现高速化，高频化的重要性能项目。文章针对基板材料的介电常数与介电损耗的关系加以论述，并对它们与外部环境的关系做出相应的阐述，使得在PCB的制造中对各种基板材料进行合理正确的评估和使用。 关键词 高频PCB, 树脂材料的改性，介电常数，介电损耗 The Dielectrics Characteristics and Modified Progress of Base Materials Applied in High
Frequency Printed Circuit Board
Yang Menghui
Abstract With the application of high frequency printed circuit board in more fields,the base materials n
eed to adapt the requirements of high-speed circuits.The most important factors are the dielectric characteristics,such as low dielectric constant and dielectric loss,which is propitious to the high transmission speed of printed circuit board.The dielectric constant and dielectric loss of base materials are discussed in this paper and the affected relation with environment conditions are also described.In addition,the modified progresses of difference base materials are evaluated.
Keywords High Frequency Printed Circuit Board, base materials, dielectric constant, dielectric loss
0 前言
目前已经商品化的高频基板主要有三大类[1] [2]：聚四氟乙烯（PTFE）基板；热固性PPO （Polyphenyl Oxide）；交链聚丁二烯基板和环氧树脂复合基板（FR-4）。PTFE基板具有介电损耗小，介电常数小且随温度和频率的变化小，与金属铜箔的热膨胀系数接近等优点[3] [4]，从而得到了广泛的应用。PTFE与玻璃纤维、陶瓷搭配制备的基板，例如：RO3200，RO3210，RO4003等系列已经能够满足介电常数2.2~10.8，工作频段为30 MHz~30 GHz的要求[5]。虽然，PTFE微波板制造发展迅猛，但与之相适应的工艺是由传统的FR-4印制电路制造工艺改进而成[6]。现在电子信息产品特别是
微波器件的高速发展，集成度极大的提高和数字化、高频化、多功能化和在特殊环境中应用等要求已经向一般的PTFE 高频板以及制造工艺提出了挑战。对于微波PCB 的高速、高频化的特性, 主要是通
过两方面的技术途径：一方面是使这种发展成为高密度布线微细导线及间距、微小孔径、薄形以及导通、绝缘的高可靠性。这样, 可以进一步缩短信号传输的距离, 以减少它在传输中的损失。另一方面, 要采用具有高速、高频特性的用基板材料。而后者的实现, 是要求业开展对这类基板材料比较深入的了解、研究工作出并掌握准确控制的工艺方法, 以此来达到所选用的基板材料与的制造工艺、性能及成本要求能够实现合理匹配的目的。
在高频电路中，信号传输速度可以表示为[7] :
r c k
V ε= （1）
式（1）中： V ——信号传输速率，单位为 m/s ；
C ——真空中的光速，单位为m/s ；
εr ——基板的介电常数。
可以看出，基板介电常数越低，信号传播得越快，因此要得到高的信号传输速率，就必须研究开发低介电常数的基板材料。
介电常数除了直接影响信号的传输速度以外，还在很大程度上决定特性阻抗，它可以表示为
[8] ：
)8.098.5ln(41.1870t
w h Z r ++=
ε （2） 式（2）中： Z 0 ——印制导线的特性阻抗；
εr ——基板的介电常数；
h ——印制导线与基准面之间的介质厚度；
w ——印制导线的宽度；
t ——印制导线的厚度。
可以看出，影响特性阻抗的主要因素是: （1）基板的介电常数εr ；（2）介质厚度h ；
（3）导线宽度w ；（4）导线厚度t 等。基板介电常数越小，特性阻抗就越大。
在高速电路中需要高的特性阻抗值，必须研究开发低介电常数的材料。同时为了实现高速数字电路PCB 中的阻抗连续稳定，要求基板材料有稳定的介电常数[9]
。
1 PCB 上的信号传输损失与基板材料性质的关系
导体电路上的传输损失中的介质损失是主要受到基板材料绝缘层的介电常数（εr ）、介质损失因数（tan δ）所支配的。对传输损失的影响与εr 、tan δ的大小成正比, 并与介质工作时的频率大小相关。在同一εr 或tan δ下, 频率越高, 其传输损失就越大，图1 表示了上述关系。
介电常数测量
图1 各种εr ，tan δ材料的信号传输损失
随着频率增加, 基板中的损耗不能再忽略不计，信号的传播损耗或衰减可以表示成[10] ：
r f a εδtan ∝ （3）
式（3）中：
A ——信号传播衰减，单位为dB/m；
εr ——基板的介电常数；
tan δ——基板的介质损耗因数；
f ——频率。
可以看出，基板tan δ越小，信号传播的衰减越小。因此在高频电路基板材料的选择或者研究开发时，要求其具有较低的εr 和tan δ。另外还要综合考虑其他因素：如热能、机械性能、吸水性等。
基板材料所用树脂的εr 值和tan δ值的高低，主要受到树脂结构本身的极化程度大小。极化程度愈大，介电常数值就愈高。为此，消除或降低树脂中的易极化的化学结构，来达到有效的降低基板材料εr ，tan δ值的目的，这已经成为这类基板材料提高此项特性的重要途径。由此也看出，一种高速高频化基板材料的特性好坏，它所用的树脂种类，更具体的讲它所用树脂的分子组成结构，是相当关键、重要的。
2 树脂的改性
对高频PCB 基板的研究通常从下面几个方面进行：对树脂和玻纤及整体结构的改进，通过布线或其它方式改进基板特性。同时在这些研究中，高频下介电常数的测量起着很重要的作用，有的学
者还提出了复合材料中介电常数计算的理论模型。
由于环氧树脂本身具有含量较大的极性基团，介电性能较差，通常的改性方法有：增加支链数，增大材料的自由体积，降低极性基团的浓度；在环氧树脂中加入双键结构，使树脂分子不易旋转；或引入 占有空间体积较大的基团或高分子非极性树脂等方法，降低极性基团的含量，提高其介电性能。
2.1 聚苯醚改性环氧树脂
使用改性聚苯醚对环氧树脂进行改性[7]，聚苯醚（PPO）分子结构中含有重复的苯环与醚键，且具有对称结构，在大分子中没有强极性基团，电气绝缘性能优良。改性聚苯醚（MPPO）在保持PPO 的电气特性的同时，改善了PPO的加工性能。在保证环氧覆铜板基本阻燃性和力学性能的基础上，利用εr只有2.45的MPPO掺混改性环氧体系，形成半互穿网络结构，提高改性环氧覆铜板的介电性能，达到降低εr和tanδ的目的。MPPO含量对基板εr、tanδ的影响如图2所示。由图2可知，随着MPPO含量的增加，覆铜板的εr和tanδ都减小，表明MPPO的添加对环氧树脂的绝缘特性确实有所改善，但是由于工艺条件较为苛刻，稳定性欠佳，该技术离工业化大生产还有一定距离，有待改进与提高。另外通过PPO改性溴化环氧树脂（BEP），使其耐热性能得到了改善，介电常数降低到3.2，而其阻燃性能较佳，其它各项性能均有不同程度的提高[10]。
图2 MPPO的含量对εr和tanδ的影响
2.2 氰酸酯改性环氧树脂
环氧树脂在固化反应过程中，可在交联点间生成含有OH等极性基团，它们对介质的εr和tanδ均有强烈影响。tanδ与OH含量的关系如图3所示[11]。从图2中可知，降低交联点间极性基团的浓度，可以降低tanδ。在不减少环氧树脂体系交联密度的前提下，降低体系中OH的含量，许多学者对此进行了大量的研究工作。在树脂体系中加入氰酸酯，可降低树脂固化体系中OH的浓度，同时改善树脂体系的交联密度[12]，提高了体系固化物的玻璃化转变温度，这也是PCB基板所需要的。
图3 tanδ与OH浓度的关系
2.3 聚四氟乙烯
聚四氟乙烯（PTFE）是一种超高分子量的聚合物，其分子结构为四个完全对称的取向氟原子中心连接一个碳原子，因而极性极低，εr只有2.0（1 MHz），加上C-F键的键能很高，其耐热性好。具有优良的电气性能、耐化学腐蚀、耐热、使用温度范围广、吸水性低，高频率范围内εr、tanδ变化小，非常适用于作为高速数字化和高频的基板材料。胡福田等[13]人的研究表明，在PTFE和玻璃纤维布组成的复合材料中，PTFE树脂含量与介电常数、介质损耗因数的影响分别如图3、图4所示。由图3可知，其εr随PTFE树脂重量百分数的增加而减少，树脂重量百分数在72%时得到εr为2.6的产品。由图5可知，tanδ随树脂含量增加有一个显著减少的过程。PTFE的热膨胀系数相对高，质地柔软，其机械性能差，尺寸稳定性较差，价格昂贵，加工要求苛刻，不适合普及使用。
图4 树脂重量百分数对介电常数的影响
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