高頻高速基板材料技術發展現況

 

刊登日期:2017/10/5
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近年來電子科技產業快速蓬勃發展,電子產品逐漸趨於輕薄短小、行動化、多功能、觸控及節能等方向發展,促使整體電路板技術朝高頻、高速以及高密度構裝等目標邁進。目前全球先進國家之最新材料技術發展方向著墨在下世代的高階電子產品應用,範圍涵蓋高頻基板開發技術、半導體封裝技術、可撓式印刷電路板產品以及IoT電子產品等。

材料發展趨勢
近年來電子產品與設備逐漸往輕量薄型化和小型化演變,而承載訊號傳遞的網路基礎裝置,如手持式裝置、路由器、伺服器以及大型電腦等的訊號傳送正朝高速化、大容量與完整性的方向進行,為了對應此趨勢發展,這些電子設備所裝載的印刷電路板需要轉型,發展低傳輸損失的基板材料來處理高頻訊號之應用所需。材料的介質常數(Dk)與介電損失(Df)是影響傳輸速度與訊號品質的重要指標,為了達到低傳輸損失的目的,基板材料需具備低介質常數與低介電損失的優點。

早期基板材料以環氧化物樹脂系統為主軸,環氧化物的耐化性和絕緣性佳,並擁有成本優勢,是基板材料當中最為穩定的系統。但是其Dk/Df為4.4/0.02@10 GHz(FR-4),因此當電子產品所使用的頻率高過10 GHz時,環氧樹脂系統的材料已無法滿足高頻訊號傳輸所需。為了因應上述對材料電性的嚴苛需求,各大廠積極開發各種不同的樹脂系統,期望跟上高頻高速發展的腳步。
1. PTFE系統
四氟乙烯(PTFE)的結構中心為兩個碳原子各向外鍵結四個氟原子聚合而成,具有良好的結構對稱性並擁有低極性特性,且碳-氟鍵的高鍵能為PTFE帶來相當程度的耐熱性與耐化性,更吸引人的是其具有優異的電氣特性,而且Dk/Df隨著頻率提高的變化亦小,可提供優異的高速傳輸特性。Rogers公司藉由混合PTFE/Ceramic開發RO3000系列基板材料,適用於汽車雷達、微波以及射頻等應用。在電氣特性方面,RO3000家族的Dk對頻率之增加有一定的平穩度,其中又以RO3003的電性最為出色,在10 GHz的Dk/Df僅為3.0/0.0010(圖一),並且RO3003的介質常數對溫度亦擁有不錯的穩定性(圖二)。

圖二、RO3000系列之Normalized Dk與溫度變化關係圖
圖二、RO3000系列之Normalized Dk與溫度變化關係圖

5. 其他高頻材料
因應近年來車載電子的應用蓬勃發展,毫米波雷達的材料市場需求日益上升,兼具優良電氣特性和加工性的低損耗材料也開始嶄露頭角。其中,日立化成推出熱固性膜材AS-400HS,該材料的介電特性與LCP和PTFE不分軒輊,Dk/Df為3.0/0.0017@10 GHz,但可製程性較熱塑型的LCP和PTFE優越,對雷射鑽孔或是電鍍均勻性的要求均有不錯的表現,可適用於天線開發之多層板製造。而AS-400HS在高頻的傳輸損失亦低於PTFE以及LCP,尤其是在76 GHz時的傳輸損失比PTFE減少了34%(圖六)。另外,在性能方面,AS-400HS可通過5小時PCT吸濕後的浸錫測試仍不爆板,耐熱溫度(Td)則落在460˚C。

圖六、AS-400HS的傳輸損失與雷射鑽孔截面圖
圖六、AS-400HS的傳輸損失與雷射鑽孔截面圖

工研院材化所技術能量
工研院材化所已針對新一代的毫米波通訊系統,開發高頻高速基板材料,藉由新型低介電樹脂結構設計與配方調控,建立兼具超低損耗與高熱安定性之基板材料系統。此系統之基板材料於10 GHz之Dk/Df為3.3~3.5/0.003~0.004,當頻率升高至60 GHz時,Dk/Df則為3.5~3.8/0.004~0.005;另外,此材料之玻璃化轉移溫度(Tg)≧210˚C且熱裂解溫度≧410˚C,並與銅箔的接著良好,具有…...以上為部分節錄資料,完整內容請見下方附檔。

作者:朱晏頤、楊偉達 / 工研院材化所
★本文節錄自「工業材料雜誌」370期,更多資料請見下方附檔。


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