顏善銀 介星迪 朱泳名 楊中強(qiáng)

（廣東生益科技股份有限公司，國家電子電路基材工程技術(shù)研究中心，廣東 東莞 523808）

0 前言

隨著印制電路板（PCB）向著高密度、多層化方向的不斷發(fā)展，元器件在PCB上搭載、安裝的空間大幅減小，整機(jī)電子產(chǎn)品對功率元器件的功率要求越來越高，小空間、大功率不可避免地產(chǎn)生更多的熱量聚集。另一方面，隨著現(xiàn)代通訊技術(shù)的快速發(fā)展，電子設(shè)備的工作頻率越來越高，發(fā)熱量越來越大，這兩大因素驅(qū)使著PCB的工作溫度急劇上升。

如果積聚的熱量不能及時排出，將使設(shè)備的工作溫度升高，長此以往會造成元器件電氣性能下降甚至損毀，嚴(yán)重?fù)p害設(shè)備的壽命和可靠性。大量試驗(yàn)和統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，電子元器件（最佳工作溫度后）溫升2 ℃其可靠性便下降10%，溫升50 ℃的使用壽命只有溫升25 ℃的1/6，因此PCB工作溫度已成為影響可靠性和使用壽命的最重要的因素[1][2]。

本文重點(diǎn)介紹國家電子電路基材工程技術(shù)研究中心，新開發(fā)的一款應(yīng)用于高頻導(dǎo)熱領(lǐng)域的覆銅板S7135D，介紹板材的開發(fā)思路、介電性能、導(dǎo)熱系數(shù)、諧振環(huán)Dk、插損及常規(guī)基本性能等。

1 開發(fā)思路

提高線路集成度及PCB功率密度的需求與日俱增，高頻PCB熱管理的重要性更加突出。如表1所示，將厚度、導(dǎo)熱系數(shù)（TC）不同的幾種材料進(jìn)行比較，其它如輸入測試功率、頻率等重要參數(shù)相同，不同材料對溫升的影響顯而易見。三種材料的介電常數(shù)（Dk）和損耗因子（Df）的值相近，頻率（3 GHz）、功率（30 W）相同，但是三種材料超過環(huán)境溫度的溫升各不相同，具體取決于材料厚度及導(dǎo)熱系數(shù)。最厚、導(dǎo)熱系數(shù)最小的材料超過環(huán)境溫度的溫升最大[3]。樹脂，大量填充氧化鋁、硅微粉等無機(jī)填料，同時使用普通的E玻纖布作為增強(qiáng)材料。由于氧化鋁的Dk比較高，大量填充氧化鋁填料，雖然可以提高導(dǎo)熱系數(shù)，但是同時也會增加板材的Dk，為此，我們必須減少復(fù)合基材中玻纖布的比例，因?yàn)镋玻纖布的Dk比較高，減少玻纖布的比例就能降低板材的Dk，而且玻纖布的導(dǎo)熱系數(shù)低，減少玻纖布比例有利于提高導(dǎo)熱系數(shù)。同時，為了降低導(dǎo)體損耗，S7135D采用了表面粗糙度小于3.0 μm的低輪廓銅箔。

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 樣品制備

使用的S7135D樣品來自于生產(chǎn)線生產(chǎn)的大板，常規(guī)的厚度為0.525 mm（20.7 mil）和0.780 mm

表1 厚度、導(dǎo)熱系數(shù)不同的微帶傳輸線的預(yù)計溫升

高頻PCB有效得當(dāng)?shù)臒峁芾磉€包括線路損耗、輸入功率、熱效應(yīng)之間的關(guān)系。高頻PCB的熱量本質(zhì)上與線路的損耗密切相關(guān)，例如，在微帶線路上，有導(dǎo)體損耗、介質(zhì)損耗及輻射損耗幾種損耗類型。導(dǎo)體損耗與PCB的設(shè)計及基材的選擇有關(guān)，銅箔的選擇會影響損耗性能，例如，表面粗糙的銅箔比表面光滑的銅箔損耗大。另一種影響損耗是材料的損耗因子，損耗因子越低，介質(zhì)損耗越小，PCB產(chǎn)生的熱量也會越少。

簡而言之，改進(jìn)熱管理理想材料的性能參數(shù)包括導(dǎo)熱系數(shù)、損耗因子、銅箔表面粗糙度，基材厚度以及介電常數(shù)。一般而言，選擇具有良好性能的材料，如高導(dǎo)熱系數(shù)，較低的損耗因子，光滑的銅箔表面以及低介電常數(shù)，不僅有助于設(shè)計出高性能高頻PCB，還能夠改善熱管理。

國家電子電路基材工程技術(shù)研究中心新開發(fā)的應(yīng)用于高頻導(dǎo)熱領(lǐng)域的覆銅板S7135D，正是基于上述思路，采用低極性的熱固性樹脂作為主體（30.7 mil），銅箔厚度為35 μm（1 oz），尺寸為914×1219 mm（36×48 in），測試前將樣品全部裁剪為標(biāo)準(zhǔn)的457×610 mm（18×24 in），一部分樣品用來測試板材的基本性能，一部分樣品外發(fā)到PCB廠制作線路，來測試插損等性能。

2.2 測試方法

Dk/Df按IPC-TM-650中2.5.5.13的測試方法進(jìn)行測試；帶狀線按IPC-TM-650中2.5.5.5.1的測試方法進(jìn)行測試；剝離強(qiáng)度按IPC-TM-650中2.4.8的測試方法進(jìn)行測試；導(dǎo)熱系數(shù)采用導(dǎo)熱系數(shù)測試儀，按照ASTMD5470方法進(jìn)行測試；燃燒性測試按IPCTM-650中2.3.13的測試方法進(jìn)行測試；Z軸CTE按IPCTM-650中2.4.24的測試方法進(jìn)行測試；X、Y軸CTE按IPC-TM-650中2.4.24.5的測試方法進(jìn)行測試；TGA按IPC-TM-650中2.4.24.6的測試方法進(jìn)行測試；DSC按IPC-TM-650中2.4.25的測試方法進(jìn)行測試；板材插損按照IPCTM-650中2.5.5.12A所規(guī)定的方法進(jìn)行測定。

3 結(jié)果與討論

3.1 介電性能測試

溫度會影響PCB層壓板的相對介電常數(shù)，由介電常數(shù)的熱系數(shù)這一參數(shù)所定義。該參數(shù)描述了介電常數(shù)的變化（單位通常是×10-6/℃）。由于高頻傳輸線的阻抗不僅取決于基板材料的厚度等參數(shù)，而且還取決于其介電常數(shù)，因此作為溫度函數(shù)的介電常數(shù)的變化，會顯著影響在這種材料上制作的微帶和帶狀傳輸線的阻抗。當(dāng)然，微波電路依賴于元器件和電路結(jié)點(diǎn)之間緊密匹配的阻抗，來最大限度地減小可能導(dǎo)致信號損失和相位失真的反射。由大功率信號的溫度效應(yīng)引起的傳輸線阻抗的變化，可能改變高頻放大器的頻率響應(yīng)，因此，應(yīng)通過仔細(xì)選擇PCB層壓板來盡可能減小這些效應(yīng)[4]。

圖1是S7135D在不同溫度下（-55 ℃～85 ℃）的Dk/Df（10 GHz，SPDR），介電常數(shù)的熱系數(shù)（TcDk）是95×10-6/℃，損耗因子的熱系數(shù)（TcDf）是2001×10-6/℃。我們也測試了某款碳?xì)洚a(chǎn)品B在不同溫度下（-55 ℃～85 ℃）的Dk/Df（10 GHz，SPDR），測試的TcDk是90×10-6/℃，跟S7135D在同一水平。TcDf通常比較大，是因?yàn)镈f本身比較小，Df的輕微變化都會導(dǎo)致TcDf比較大。此外，采用不同的測試方法，測試結(jié)果也會有差異。

3.2 導(dǎo)熱系數(shù)測試

作為高頻導(dǎo)熱覆銅板產(chǎn)品，除了介電性能和剝離強(qiáng)度，導(dǎo)熱系數(shù)也是最重要的性能指標(biāo)之一。表2是S7135D的導(dǎo)熱系數(shù)測試結(jié)果，從表中可以看出，S7135D的導(dǎo)熱系數(shù)達(dá)到導(dǎo)熱PTFE（聚四氟乙烯）產(chǎn)品A的同一水平，帶銅箔測試介質(zhì)導(dǎo)熱系數(shù)為0.82 W/m.K，不帶銅箔測試介質(zhì)導(dǎo)熱系數(shù)為0.74 W/m.K。其Dk與碳?xì)洚a(chǎn)品B接近，Df甚至要略優(yōu)于導(dǎo)熱PTFE產(chǎn)品A的Df（10 GHz/SPDR）。

圖1 S7135D在不同溫度下的Dk、Df（10 GHz，SPDR）

3.3 熱膨脹系數(shù)測試

PCB在高溫下會像大多數(shù)材料一樣，隨溫度變化而熱脹冷縮，當(dāng)溫度上升時，PCB會在三個軸向上（長度、寬度和厚度）膨脹。這種隨溫度變化導(dǎo)致的膨脹程度，可以用PCB材料的熱膨脹系數(shù)（CTE）來表征。因?yàn)镻CB通常由覆銅（用于形成傳輸線和地平面）電介質(zhì)形成，所以該材料在X和Y方向上的線性CTE，通常設(shè)計得與銅的CTE（約17×10-6/℃）相匹配。通過這種方法，這些材料就會隨溫度的變化而一起膨脹和收縮，從而最大程度地減小了兩種材料連接處的應(yīng)力。電介質(zhì)材料Z軸（厚度）的CTE，通常設(shè)計為較低的值，以便最大程度地減小隨溫度而發(fā)生的尺寸變化，并保持電鍍通孔（PTH）的完整性。PTH為接地和多層電路板互連，提供所需的從電路板頂層到底層的路徑。圖2、圖3分別是S7135D的X軸、Y軸、Z軸CTE，CTE分別為12×10-6/℃、10×10-6/℃、18 ×10-6/℃，CTE都比較低，是因?yàn)榕浞襟w系中填充了大量的填料，可以極大的降低板材的CTE值。

表2 S7135D的導(dǎo)熱系數(shù)（W/m.K）測試結(jié)果

圖2 S7135D的X軸、Y軸CTE

圖3 S7135D的Z軸CTE

3.4 DSC測試

玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（Tg）是高聚物從玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楦邚棏B(tài)的溫度。在聚合物使用上，Tg一般為塑料使用溫度的上限，橡膠使用溫度的下限。在玻璃化溫度下，高聚物處于玻璃態(tài)，分子鏈和鏈段都不能運(yùn)動，只是構(gòu)成分子的原子（或基團(tuán)）在其平衡位置作振動，而在玻璃化溫度時，分子鏈雖不能移動，但是鏈段開始運(yùn)動，表現(xiàn)出高彈性質(zhì)。溫度再升高，就使整個分子鏈運(yùn)動而表現(xiàn)出粘流性質(zhì)。在玻璃化溫度時，高聚物的比熱容、熱膨脹系數(shù)、粘度、折光率、自由體積以及彈性模量等都要發(fā)生一個突變。DSC測定Tg就是基于高聚物在玻璃化溫度轉(zhuǎn)變時，熱容增加這一性質(zhì)。在DSC曲線上，其表現(xiàn)為在通過玻璃化轉(zhuǎn)變溫度時，基線向吸熱方向移動。

圖4 S7135D的DSC圖

圖4是S7135D的DSC圖，從圖上看到掃描到300 ℃，并沒有出現(xiàn)玻璃化轉(zhuǎn)變溫度。從高分子理論的角度分析如下：

（1）當(dāng)分子間存在化學(xué)交聯(lián)時，鏈段活動能力下降，Tg升高。交聯(lián)點(diǎn)密度愈高，Tg增加愈甚。例如苯乙烯與二乙烯基苯共聚物的Tg隨后者的用量增加而增加；

（2）對于高度交聯(lián)的聚合物，交聯(lián)點(diǎn)之間分子鏈比鏈段還小，則沒有明顯玻璃化轉(zhuǎn)變。S7135D使用的樹脂就屬于高度交聯(lián)的聚合物，所以在300 ℃以下沒有出現(xiàn)玻璃化轉(zhuǎn)變溫度。如果進(jìn)一步升高溫度至400 ℃，則有可能會引起高度交聯(lián)聚合物的降解。

表3 S7135D的插損測試 （插損單位為：dB/5in）

表4 S7135D的其它基本性能

3.5 插損測試

材料的熱量管理主要包括兩個方面：一方面是使產(chǎn)生的熱量能夠盡快的散出去，這主要是跟材料的導(dǎo)熱系數(shù)有關(guān)，材料的導(dǎo)熱系數(shù)越大，越容易將熱量散出去；另一方面盡量減少熱量的產(chǎn)生，線路中熱量的產(chǎn)生主要與線路的損耗密切相關(guān)。材料的介質(zhì)損耗和導(dǎo)體損耗是與材料產(chǎn)生的熱量有一定關(guān)系的重要參數(shù)。損耗因子（Df）值越小意味著損耗越小，也意味著功率源產(chǎn)生的熱量越小。線路中導(dǎo)體的損耗越低，也會使得在線路中產(chǎn)生的熱量越小。而插損測試正是材料的介質(zhì)損耗和導(dǎo)體損耗的一個綜合表征結(jié)果。表3是S7135D的插損測試結(jié)果，同時也測試了導(dǎo)熱PTFE產(chǎn)品A和某款碳?xì)洚a(chǎn)品B的插損結(jié)果，通過24組樣品測試的插損平均值來看，S7135D的插損結(jié)果最優(yōu)，主要是因?yàn)镾7135D產(chǎn)品使用了非常低輪廓的銅箔（Rz約3.0 μm），同時板材的Df（10 GHz，SPDR）低至0.0024，所以綜合性能表現(xiàn)更優(yōu)。

3.6 其它性能

S7135D的其他基本性能，都能滿足覆銅板使用要求（見表4）。

4 結(jié)論

國家電子電路基材工程技術(shù)研究中心新開發(fā)的應(yīng)用于高頻導(dǎo)熱領(lǐng)域的覆銅板S7135D，具有良好的綜合性能，板材的Dk（帶狀線）為3.50左右，板材的Df（10 GHz，SPDR）低至0.0024。使用低輪廓銅箔在接收態(tài)和熱應(yīng)力后的PS（剝離強(qiáng)度）均可以達(dá)到1.1 N/mm的水平，不帶銅箔測試介質(zhì)導(dǎo)熱系數(shù)為0.74 W/m.K，達(dá)到導(dǎo)熱PTFE產(chǎn)品A的同一水平。尤其是板材的插損測試結(jié)果表現(xiàn)更優(yōu)。