浅析5G通讯时代下高速覆铜板技术发展

浅析 5G 通讯时代下高速覆铜板技术 发展

李海林

郴州功田电子陶瓷技术有限公司（ 423000 ）

摘要：5G通讯在峰值速率、频谱效率、时延等方面都发生了重大变化，电路板IC高度集成、大功率，单位面积上连接更多的元件数量，采用高密互联设计，这给覆铜板材料提出了新的要求，本文重点介绍5G通讯对高速覆铜板技术要求。

关键词：5G；PCB；覆铜板

引言

当前，5G基站及网路通信终端（如76～79GHz汽车防碰撞雷达等）向着毫米波频段（30～300GHz）快速的发展。这些设备所用的高频PCB，越来越依靠它的基板材料端，去克服降低其信号传输损失的难题，开发并提供更多客制化档次的、还能达到其它重要性能（如多层板加工性、可靠性、导热性等）要求的高频性基板材料。

近一年多来，全球热固性高频高速基板材料主要生产厂家在新品开发及市场开拓上，更多的精力都集中在毫米波电路用基板材料方面的角斗中。例如，2020年以来Df≤0.002等级的RF/无线通信用热固性类覆铜板的市场，不再只是几家日美厂家（Rogers、松下、Isola等）所占据，而中国大陆（生益科技、南亚新材等）、中国台湾（台燿、台光、联茂、腾辉电子等）厂家产品，也开始分割到市场一定的份额。

在高频高速覆铜板发展的各阶段，它的主流采用的某一类树脂，总是决定了高频高速基板材料技术与市场发展趋势的最重要因素。当前高频性覆铜板市场的激烈竞争的背后，是这类覆铜板的主树脂开发技术的进步，甚至是跨越作为支撑。

一、通讯对高速高频覆铜板技术要求

5G通讯产品要求更高频率和速率，高速高频信号关注传输线损耗、阻抗及时延一致性，最后在接收端能接收到合适的波形及眼图，眼图张开的宽度决定了接收波形可以不受串扰影响而抽样再生的时间间隔。显然，最佳抽样时刻应选在眼睛张开最大的时刻，睁开眼图的塌陷是由损耗直接引起，介质损耗Df越小眼图高度越大，噪音容量越大。

对于PCB基板材料来说，需要Dk/Df更小，Df越高，滞后效应越明显,业内对PCB覆铜板的研究热点，主要集中于LowDk/Df，LowCTE、高导热材料开发，要求铜箔、玻璃布、树脂、填料等供应链上下游与其配套；

1.更低损耗覆铜板材料要求

未来3-5年，万物互联5G通讯量产，天地互联6G将开始预研，将要求高速覆铜板技术向更低损耗Df，更低介电常数Dk、更高可靠性、更低CTE技术方向发展。相应的，覆铜板主要组成铜箔、树脂、玻璃布、填料等也要同步往这个方向发展。

1.1更低损耗的树脂材料要求

满足5G通讯高速产品要求，传统FR4环氧树脂体系已不能满足要求，要求覆铜板树脂Dk/Df更小，树脂体系逐渐往混合树脂或PTFE材料靠近。5G通讯高速高频产品PCB厚度越来越高，孔径越来越小，PCB纵横比会更大，这就要求覆铜板树脂具有更低损耗，在损耗降低的同时，不能发生孔壁分离或孔壁断裂等缺陷。

1.2更低粗糙度的铜箔技术

对于高频PCB而言，高频CCL材料非常重要，包括基板材料Dk/Df、TCDk、介质厚度稳定性以及铜箔类型等。图1展示了PCB简单横截面图，其中铜层1（顶部）和层2是用于高频性能的关键层，其中层1是信号导体，层2是接地层。在该介质上传播的高频波的大部分电场位于层1的底部和层2的顶部之间，因为信号导体边缘的电场集中度较高。

在微带线或带状线设计中，当高频信号在导线中传输时，大部分电磁波能量会被束缚在导线与屏蔽层（地）之间的介质层中，而趋肤效应会导致高频信号的传输聚集在导线表面的薄层，且越靠近导线表面，交变电流密度也越大。对于微带线而言，趋肤效应将出现在微带线与介质接触的位置（如图1顶层蓝色所示位置），对于带状线而言，趋肤效应将出现在带状线的表面与介质接触的位置（如图1绿色所示位置）

铜箔粗糙度越小，介质损耗越小，HVLP铜箔介质损耗明显小于RTF铜箔，从5G产品性能考虑，需要更低粗糙度HVLP铜箔，但铜箔粗糙度降低，剥离强度也变小，会有细线路或小焊盘剥离风险。

1.3低损耗和低膨胀率的玻璃布技术

要满足5G通讯产品高速PCB设计及100x100mm大尺寸芯片应用要求，需要高速覆铜板玻璃布的Dk/Df更小，CTE更小。若材料CTE过大，在PCBA组装焊接时会发生焊点开裂等缺陷。若要开发出LowCTE的高速覆铜板，要求玻璃布的CTE≦3.0ppm/℃等。

要达到这个CTE的要求，就需要对玻璃丝原料配方和拉丝工艺技术进行革新，制备出更低CTE的玻璃布，以满足5G或6G通讯技术需求。

2.介质厚度稳定性

介质层结构、组成和厚度的均匀性和波动变化程度影响着特性阻抗值，在相同厚度的介质层下，分别由106、1080、2116和1035与树脂组成的介质层，其特性阻抗值是不相同的，因此可以理解PCB各个介质层中各处的特性阻抗值是不一样的。所以，在高频化和高速数字化信号传输5G高频PCB，需要选择薄型化玻纤布或开纤扁平布为宜，以减少特性阻抗值的波动。批次间材料Dk值必须控制在一定范围内，介质层厚度均匀性要好。确保Dk变化值在0.5以内。

3.更高导热率覆铜板板材

一般散热思路是从电路效率和损耗角度评估温度上升情况，通过仿真发现，降低材料的Df值来降低温升的方法，不如选用更高导热率（TC)的方法有效，对于5G高频板要选择相对薄的基板材料，同时选择高导热率、铜箔表面光滑、低损耗因子等材料特性有利于降低毫米波频段下电路的发热情况。

一般覆铜板厂家提升板材导热率的方法为加入高导热填料，但加入过多导热填料，会使PCB钻工、电镀难度很大，影响PCB生产效率和良率，要满足5G或6G通讯产品高散热覆铜板板材导热率≧0.8W/mK要求，需要各覆铜板厂家尽快开展新型配方研究。

4.更高可靠性覆铜板板材

5G通讯产品集成度越来越高，PCB设计密度已从孔间距0.55mm减小到0.35mm，多阶HDI工艺单板PCB板厚由3.0mm提升到5.0mm，MOT温度要求由130℃提升到150℃，要求覆铜板板材耐热性更好，耐CAF性能也要更高。

2. 高速高频覆铜板发展趋势

未来通讯产品的速率越来越高，112G基本确定会采用PCB方案，同时224G业界标准已经启动，从最近的标准会议和业界各个行业的动态来看，224G也可能采取PCB方案，这对高速覆铜板技术演进是非常有利的，但224G技术需要覆铜板技术有本质的提升和技术创新，覆铜板板材向更低介电常数、更低介电损耗、更低CTE、更低吸水率、更高Tg值、更高导热率方向发展。

要满足覆铜板材料发展趋势技术要求，覆铜板板材原材料铜箔、树脂、玻璃布、固化剂等也需要跟随覆铜板技术发展进行技术更新。

1.新的热固性树脂将会有更低的Dk/Df和高可靠性

为满足后5G通讯224G速率高速产品低损耗电性能要求，高速覆铜板的损耗因子将会在112G材料基础上再提升30%，材料Df≦0.001，新型热固性树脂体系由PPO树脂体系发展为混合树脂。

2.新的玻璃布具有更低Dk和CTE

玻璃布会由E-Glass布发展到Q-Glass布，lowDk/Df玻璃布在差分线和微带线上Loss更小。

结语

5G中由于系统多通道的特点，需要降低电路的尺寸，减小基站体积、装置小型化，射频和数字信号集成化、基板多层化等设计新特点，对基板材料提出了高导热的需求。热固性高频高速覆铜板若进军高频电路基板的市场，特别是在高频性多层板市场中去替代PTFE基材，就需要赋予它高导热性功能。这已经是热固性高频高速覆铜板在功能扩大、解决基材导热技术上，所面临的新课题，也发展高频高速覆铜板中的一个新趋势。

参考文献

[1]陳凱琪等.NEPCONJAPAN2020日本東京特別報導系列之一.2020.1