洪銘聰/工研院材化所
有鑑於目前全球電子產品朝向輕量化、小型化、無線化及高頻化的方向發展，導致工作頻率及資料傳輸流量大幅上升，未來的銅箔基板材料，亟需降低介電損耗以降低訊號之傳遞損失，而未來幾年將逐步邁入5G的時代，勢必會引爆更大的低損耗PCB材料需求。本文將介紹目前低損耗基板材料的發展趨勢及應用的方向。
【內文精選】
前 言
近期隨著5G行動通訊商轉的日子來臨，印刷電路板(Printed Circuit Board; PCB)相關材料又成為廠商與市場關注的焦點。對電路板及材料產業而言，5G行動通訊網路除了因應更高頻率（毫米波）的應用環境，在材料端需要克服訊號損失的難度更高。不管5G技術未來要如何發展，但可以確定的是毫米波因其特有的優勢，無疑將成為5G網絡發展中的關鍵技術。此時對PCB基板而言，高頻、高速的設計導入已成必然，而電路訊號傳輸的高頻化，基板材料將是主要的關鍵。因此，具有低介電與（超）低傳輸損失介電材料的選用，將是未來在5G技術實現高可靠度、低延遲性之大規模資料傳輸成敗的主要訴求重點。
研發5G世代所需之高頻基板(High Frequency Substrate)材料，最大挑戰為材料本身需同時具備高導熱與低損耗(Low Lost)特性以及符合現行的PCB製程，研究顯示，此兩性質不易存在同一系統（高導熱材料通常具備高Df值，反之，電性優異者常屬低導熱材料）。因此，如何在兩者兼顧的條件下開發具有超低介電損失、低介電性、高耐熱性/高導熱、低成本、可符合環保要求之低介電樹脂合成技術材料與製程設計驗證，可應用於伺服器、通訊等需高度穩定性及高頻工作之下世代5G基板材料，是目前國內外廠商所共同追求的目標。本文將介紹目前低損耗基板材料的發展趨勢以及應用的方向。
5G技術特色與商轉所衍生的PCB商機
根據市場研究調查機構顧能(Gartner)最新研究報告預估，今(2020)年全球5G無線網路基礎建設相關營收將達42億美元（約新台幣1,333億元），較2019年的22億美元（約新台幣698.6億元）增加89%。
除此之外，包括接續下來的5G智慧型手機、各式各樣的5G應用均有龐大潛在的電路板商機（圖二）。以現有的高頻/高速基板特性以及產能，將不足以應付屆時龐大的需求量。由此可知，隨著高速傳輸需求的增加，電路板需要耐高溫和低雜訊，且穩定度要求高。因此目前最重要的課題是先解決高頻/高速材料的問題，才能確保訊號的穩定性與完整性、擴大應用領域並在未來5G商機爆發時搶先占有一席之地。
圖二、5G技術衍生之高頻電路板相關需求
高頻/低損耗基板材料發展趨勢
為何需要開發低損耗基板材料？隨著傳輸速率越來越高的需求，PCB所使用的絕緣材料（樹脂）必須要符合高速高頻的特性，才能確保訊號的穩定性與完整性。式(1)、式(2)可以初步說明較低的介電常數和介電損失在高頻傳輸下的意義與重要性。式(1)說明了在高頻下，εr 值越小其傳播速度越快；式(2)說明當信號從PCB傳輸出去，FR4板的Df值越低越好，方可得到最少的訊號損失。另外，也可以從插入損失(Insertion Loss)的角度來解釋，訊號傳輸損失和插入損失的定義相同，是由導體損失[Conductor Loss (αc)]和介電損失[Dielectric Loss (αd)]所組成，如圖三所示。
圖三、訊號傳輸損失定義
銅箔基板(Copper Clad Laminate; CCL)為製造PCB的關鍵基礎材料，不同的樹脂材料選擇及玻纖布組合會影響到CCL及PCB整體性能。因此，介電損失的部分主要由樹脂材料以及玻纖布來決定，表一為不同介電特性的玻纖布比較，目前市面上常用的為E-glass，而高頻CCL所使用的布種則是以Low Dk Glass為主。
總和來說，由市場趨勢顯示，無論是應用產品面或是技術發展的方向，高頻基板材料均會隨著電子產品的發展而有明確的需求。表二為目前市面上推出低損耗高頻基板材料的廠商以及商品的整理比較。從表中來看，目前各大廠的產品仍以PPE樹脂系統為大宗；PTFE樹脂除了傳統Rogers之外也有其他廠商投入；而碳氫樹脂雖有廠商推出相關產品但是市場的滲透率不高。此外，國內幾間主要的CCL廠商，例如：聯茂、台光電以及台燿科技，也都非常積極投入相關材料技術開發。
此外，工研院在高頻材料亦有十年以上的研發經驗與基礎，近年更針對未來高頻高速基板泛用的樹脂原料進行開發，並且已針對特有結構或是以新型高分子共聚結構與配方架構設計提出專利申請，也已經有數案持續通過並且獲證。團隊已擁有上位專利Cyclic Olefin樹脂技術…以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。
★本文節錄自《工業材料雜誌》406期，更多資料請見下方附檔。