5G通信对PCB基材的要求

林金堵

本刊名誉主编

我国5G通信在华为科技公司等的带领下，全世界正在以空前的发展速度推动着！5G通信不仅其数据大、传输速度成倍（或指数）提升，而且融入网络（如物联网、车联网、人工智能、互动式多媒体等），更大地拓宽了相关应用的领域，随着5G通信的提速、拓宽和进步，使人类社会快速进入“万物互联”的时代！

大量公开资料指出：今后三五年，5G通信将超过智能终端和汽车电子的两大应用市场，必然会成为带动印制电路板（PCB）产业增长的第一引擎！同时，由于5G通信的传输高频高速化和融入网络化，采用的PCB皆为高密度、挠性和刚-挠结合，从所采用的基板材料、生产检测的设备、PCB结构和性能等角度看，它将给PCB产业带来升级，从而走上新的台阶，使我国PCB产品走向高质量化、高档化！同时，5G通信的发展将带来PCB产值新的增长点，如仅5G通信的射频侧基站用PCB产值将达到240亿/年（中国占25%），是4G通信的4倍以上。因此，这预示着PCB行业会走上以5G为特色的PCB产品时代！未来两三年内，5G通信的PCB将也会像5G通信一样，十分精彩！

1 5G通信的基本特性和要求

1.1 5G通信的频率范围

5G通信技术是4G、3G和2G等的延伸扩展，5G是高数据传输速率、减少延迟、节省能源、降低成本、提高系统容量和大规模连接以及网络化的通讯技术。

根据3GPP的5G无线规范（38系列）和2017年12月发布的V15.0版TS38.104规范，5D NR频率范围分为FR:FR1与FR2：FR1的频率≤6 GHz，而FR2为毫米波频段（见表1）。实际上，目前的“三代”通信的执行频率如表2所示。

表1 5D NR频率范围

这就是说，5G通信的频段，除了含有4G的频段外，还有更高的频段。目前5G通信的频率绝大多数是在毫米波（34 GHz以上）范围。

1.2 5G通信比4G通信的优势

5G通信对比4G通信的优势，主要体现在更高的速度、更大的容量、更小的延时等的特点。

1.2.1 高速的传输率

由于5G通信比4G通信快，加上延时小，根据中国联通首批5G用户体验表明，5G比4G快（40～60）倍。如从一个10G的视频，采用4G下载需要15 min，而采用5G下载仅用9 s，快100倍。同时，随着5G“微基站”的增加，5G通信速率还会增加。

1.2.2 更短的延时时间

由于5G通信的延时时间更短，因此更加安全可靠。如以60公里/时速行使的汽车，4G网络的延时是50 ms（毫微秒），如果用50 ms刹车其紧急制动距离达1 m或更大，这可能是产生激烈撞击、伤人或生命的距离，而5G的网络的延时是1 ms，用1 ms刹车其紧急制动距离仅17 min，很显然更安全可靠，因此5G技术用于自动驾驶汽车是很理想的。

1.2.3 更大的传输容量

5G通信频率范围要高得多、应用范围宽得多。同时，5G通信的处理数据量或容量更是海量的增加（见表3）。

1.2.4 应用范围更加广泛

实际上，4G还处在“人与人”之间的互联，而5G除了“人与人”互联外，还要加上“人与物”互联和“物与物”互联，并走上实现“万物互联”的时代！

5G通信比4G通信的优势还有很多，如干扰小、传输远、尺寸小、功耗低与成本低等。

由于5G通信的传输数据量更大、速度更快，就需要在相同面积或体积内布局更多的射频发射设备，依靠这些大量信号发射装置才能满足5G通信的传输数据和无线覆盖社会区域的要求，这些设备用的PCB，不仅需要高频高速的基板材料、而且必须精密的线路加工和精确的检测等实施方法才能满足要求。

2 5G对PCB基板材料的要求

5G通信的实质是高频化大容量的信号进行处理和传输，首要任务是选择覆铜箔板（CCL）材料，它必须满足高频（毫米波）信号传输速度减小少、即介电常数小、介质损耗小、铜箔面粗糙度低、玻璃化转变温度高、热膨胀系数小和导热率高等的基板材料

2.1 介电常数对信号传输速度的影响

介质层的介电常数（Dk）对信号传输速度的影响如公式（1）所示。从公式（1）中可看出，信号传输速度（V）与介质层的Dk的平方根倒数成比例，所以要达到高速度的传输信号，要求介质层的Dk要尽量地小。

表2 目前“三代”通信实行的实际频率

表3 “四代”通信处理的内容

式中，k——比例常数，C光——为光速（30万千米/秒）

值得注意的是，在CCL中的介质层是玻纤布、树脂（或有无机填料）等组成的复合材料，其组成和结构等因素决定了各处的Dk是不同的。要在PCB导线中稳定传输信号速度，必须从复合介质层的组成和结构进行调整，如采用薄型结构的扁平式的玻纤布等来获得均匀性好的介质层，使各处的介电常数值趋于一致性，才能使高频化和高速数字化的信号传输速度波动小。

2.2 CCL中介质损耗的影响

CCL中介质损耗（Df）的影响主要表现在信号传输过程发生衰减和产生热耗上，并且将随着高频化和高速数字化的信号传输而迅速增加着。

介质层Df的影响如公式见式（2）所示。

式中k——常数，f——信号传输频率，tanδ——介电损耗角正切。从公式（2）中可看出，Df将随着频率f、介电常数（Dk）1/2和介电损耗角正切tanδ的增加而增加。很显然，介质层的Df的影响是最大的，特别是与介质层极化率相关的tanδ大小，因此，一般所说的材料的Df是指介电损耗角正切tanδ的损耗。

2.3 CCL中铜箔面粗糙度的影响

高频信号在铜面粗糙度传输会引起传输信号发生“反射”和“驻波”，必然会带来传输信号“损失”和“失真”。而CCL中铜箔面粗糙度主要是指与树脂压合面的铜箔粗糙度，这种粗糙度在PCB制造过程中是无法改变的。

趋肤效应是指信号的频率传输越快，信号传输就越来越接近导体的表面进行。高频信号在铜导体趋肤深度可用公式（3）表示。信号传输的趋肤效应是随着传输信号的频率增加而增加。

其中d（趋肤深度）表层厚度（mm）；k——常数，对铜而言为1；f——频率（Hz）。很显然，随着信号传输频率的提高，在导体内信号传输不仅集中在导体表面层，而且表面层传输厚度越来越薄，如表4所示。

从表4中可看出，随着信号传输高频化或高速数字化的发展，信号在导体中的信号传输表面厚度越来越薄，传统的导体表面粗糙度便遇到了挑战。而在1 GHz频率以后，要求导线表面接近于无粗糙度（无轮廓）的结构，必须根据信号传输频率和高速数字化程度来制造合适的粗糙度铜表面，才能满足要求。

2.4 CCL中Tg和CTE的影响

CCL中介质层Tg（玻璃化转变温度）和CTE（热膨胀系数）对5G通信的影响也提到重要的议事上来。由于5G通信PCB的主要特征是高密度、精细化，低Tg和大CTE的基材（如PTFE等）的应用越来越困难，使基板发生严重变形或大的内应力，威胁着5G通信使用可靠性和使用寿命！

表4 信号传输频率与趋肤效应（表面层厚度）的关系

2.5 CCL中的铜箔和介质层厚度

选择CCL中箔铜层和介质层厚度的要求是均匀性（偏差小）好。特别是介质层的厚度均匀性：一是介质层是由多成分（树脂、玻纤布、填料等）组成的，其物理性能是不同的，当然影响着各种性能；二是介质层中的各种组成均匀性分布、特别是玻纤布机构（要采用扁平布结构要明显好于常规玻纤布）等都是影响着PCB特性阻抗值大小的。

3 5G通信用的主要基板材料

3.1 5G通信用基板材料的要求

5G通信对基板材料的主要要求有：低Dk、低Df、高Tg、高Td、低CTE、高导热率与低铜面粗糙度等。

3.1.1 CCL的低损耗等级要求

CCL基材的介质损耗Df的等级划分如表5所示。而5G通信用基板材料的要求Dk≤3.0，而Df≤0.005。

3.1.2 CCL低Dk要求

5G通信对覆铜板Dk要求是越低越好，但是绝大多数的树脂材料的介电常数的Dk≥3.0，只有聚四氟乙烯（PTFE）小于3.0（2.2～2.6），而介电常数Df≤0.002，但由于Tg低和制造工艺难点多成本高，寻找新的材料是根本的出路。如美国、日本开发的液晶聚合物（LCP），在20 GHz频率下，其Dk接近3.0、而Df接近0.002，已成功应用到iPhone X手机的天线上[2]。

3.1.3 CCL高Tg、Td和低CTE要求

5G通信对CCL有高Tg要求，绝大多数Tg≥180 ℃，大多在180～260 ℃之间，而较高Tg温度相应有较高Td（热分解温度）温度。大多数5G通信用覆铜板Td温度≥400 ℃。同时，由于有高Tg和Td，必然也具有较低的热膨胀系数（CTE）。由于较高Tg、Td的温度和较小的CTE,，必然带来基板内应力变化较小，非常有利于提高印制板的耐热性能、性能稳定性和使用寿命。

3.1.4 CCL高导热系数CCL要求

由于有机基板介质层的导热性能差，大多数在0.2 W/m·K左右，这是基板聚热而升温的根源，对于高密、高频、大容量的5G通信的性能稳定性和使用寿命也是个严重的问题。因此采用加入导热填料（主要是金属氧化物和陶瓷材料等）或开发导热性的树脂材料等来提高导热性能，目前较好的基板的介质层的导热性能可提高到0.6 W/m·K左右。

表5 低介质损耗等级与典型的树脂品种

表6 CCL铜箔处理面粗糙（轮廓）度Ra等级

3.1.5 CCL铜箔处理面粗糙度要求

由于高频信号在导体的粗糙表面的趋肤效应在信号传输过程中必然产生“驻波”、“反射”等造成信号减弱。因此，不仅要求PCB 制造过程中的导体表面低粗糙化，又要求CCL的铜箔与树脂压合面必须低粗糙化。目前，CCL的供应商可以提供铜面粗糙（轮廓）度不同程度的产品，如表6所示。

目前，在CCL的供应商可以提供铜面粗糙度超低等级的厂家主要集中在日本，而国内能够制造≤1.0 μm的轮廓铜箔的厂家并不多。

3.2 目前可用的CCL类型和选择

目前，应用于5G通信、智能终端汽车电子等领域的高频高速信号传输的CCL基材主要有：（1）聚四氟乙烯类；（2）碳氢树脂类；（3）热固性树脂（含改性聚酰亚胺等）类；（4）特种树脂（或膜）材料；（5）改性（或多官能团）环氧树脂类。要根据用户产品特性、应用条件、成本等综合考虑而选择相应的CCL。

3.2.1 聚四氟乙烯（PTFE）类的CCL

这类CCL是目前具有最低的Df和Dk以及其它优越性能等，这一类型既有PTFE+玻纤布，又有改性或添加填料PTFE+玻纤布的CCL材料。

这一类型：Dk为2.1～3.0（随金属氧化物加入量增加而加大）之间，Dk也可以达到10以上；Df为0.0009～0.004之间，Dk也是随金属氧化物加入量增加而增加着；导热率在（0.25～0.75）W/m·k之间；CTE的X、Y方向（由于玻纤布、填料），可从（7～18）×10-6/℃之间的变化，而Z的变化较大，在小于Tg温度内其变化为（30～220）×10-6/℃之间。PTFE的Tg为79 ℃，Td可高达500 ℃以上。PTFE类CCL的最大弱点是Tg温度低、CTE大等带来形变和内应力而影响高密度板加工和使用生命或可靠性。同时，加工难度大、价格高等。

3.2.2 碳氢类的CCL

碳氢类CCL的性能仅次于PTFE类板材，其导热率和Tg温度要好于PTFE类。碳氢类的CCL的主要特性：Dk为3.0～3.5（随金属氧化物加入量增加而加大）之间；Df为0.0025～0.0035之间（随金属氧化物加入量增加而增加）；导热率在0.60～0.80 W/m·k之间；CTE的X、Y方向（由于玻纤布、填料），可从（9～18）×10-6/℃之间的变化，而Z向变化为（30～50）×10-6/℃之间；Tg为280 ℃，Td为400 ℃以上。加工性比环氧树脂类要困难，但比PTFE类好多了，价格也便宜些，这对高密度的封装载板制造是有利的。

3.2.3 热固性树脂CCL

目前这类热固性树脂CCL（包含改性的PI、BT、聚苯醚等）。其主要特性：Dk为3.0～3.6（随金属氧化物加入量增加而加大）之间；Df为0.002～0.003之间(随金属氧化物加入量增加而增加)；导热率在（0.40～0.50）W/m·k之间；CTE的X、Y方向（由于玻纤布、填料）可从（13～22）×10-6/℃之间的变化；Tg为200 ℃左右，而Td为400 ℃以上。

3.2.4 改性的环氧树脂CCL。

由于环氧树脂的加工性能好，对它进行改进仍有发展前景，改性的环氧树脂CCL便是例证。目前改性环氧树脂CCL的主要特性：Dk为3.6～4.2（随金属氧化物加入量增加而加大）之间；Df为0.006～0.012之间（随金属氧化物加入量增加而增加）；导热率在（0.40～0.80）W/m·k之间；CTE的X、Y方向（由于玻纤布、填料）可从（13～18）×10-6/℃之间的变化；Tg为180 ℃，Td为350 ℃以上。由于加工性能好、成本较低，对某些领域的应用仍有广阔用途。

3.2.5 特种树脂材料

具有很低Dk和Df等的材料不断开发出来并得到应用，如Dk为3.0和Df为0.002左右的液晶聚合物（LCP）材料和膜得到了应用，还有聚苯醚树脂（PPO）类和BMI树脂等也得到了开发和应用！有采用“空气珠”形成的介质层，其Dk可达到1.2、甚至更小，用量少应用于特殊的场合。

总之，近十年来,我国在高频高速的CCL材料方面有了快速的发展与进步，在2020年8月CPCA展会上，生益科技、南亚、联茂、华正、腾辉等企业（集团）都能提供用于5G通信、智能终端、汽车电子、航空航天等领域的高频高速的CCL等材料，这是我国CCL产业可喜而巨大的进步，解决了过去依赖进口的基础性材料问题。而现在美国更是变本加厉地进行“制裁”，极力制止我国发展与进步！今后还想依靠外国技术和产品是走不通了，我国只有走自力更生、才能发展壮大的道路！