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低介电玻纤在高频PCB中的应用

着5G通信技术的飞速发展,对高频高速PCB的需求也逐渐增长。微波PCB的高频高速化,普遍要求原料基材可以达到低介电性能,而基材的介电常数和损耗因子与其组成息息相关。


一、高频高速PCB传输与基材的关系


材料的介电性能是指在电场作用下,对静电能的储蓄和损耗的性质,通常用介电常数(Dk)和介质损耗(Df)来表示。Dk是衡量材料存储电性能能力的指标,Dk越低,信号在介质中传送速度越快、能力越强。作为电容器,要求材料具备很高的Dk;作为PCB的组成部分,则需要材料具有极低的Dk。Df是衡量介电材料能量耗损大小的指标,Df越低,则信号在介质中传送的完整性越好。当电介质一定,外加电压及频率一定时,介质损耗Df与介电损耗正切值(tan δ)成正比,即可以用tan δ来表示介质损耗的大小。


高频电路,需要构成PCB的主要基材的Dk和Df尽可能低,这有利于提高电路板导线信号传输速度,降低信号时间延迟。在高频电路中,信号传输速度可以表示为:


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可以看出,基板介电常数越低,信号传播得越快,因此要得到高的信号传输速率,就必须研究开发低介电常数的基板材料。


二、高频PCB的低介电常数基板材料


PCB基材是由树脂、玻纤、铜箔、填料等组合而成,优化PCB介电性能的主要途径是降低其组分的Dk和Df。


以前高频PCB主要通过降低树脂基材的Dk和Df来实现,而随着研发技术的不断增强,通过上述方式改变PCB介电性能越来越有限,故国内外研发人员已开始对玻璃纤维进行改性来让材料具有更低的Dk和Df。


玻璃纤维布主要在高频PCB中起到增强作用,可以用于提升材料的力学性能。传统E-玻纤,其DK值一般在6.6左右,明显高于一般树脂基材(聚四氟乙烯DK为2.0左右),且在高频PCB中玻纤占有较高的体积分数,所以降低玻纤的介电性能尤为重要。


因此,为了满足高频PCB对玻纤低介电性能的需求,玻纤企业开发了低介电玻璃纤维。


三、玻璃纤维改性及低介电玻璃纤维生产厂家


目前,世界各国生产的硅酸盐成分的玻璃纤维织物组成大体相同,其基础成分都是 SiO₂、Al₂O₃、CaO 三元系统,重量百分比在小范围内波动。常温下构成玻璃网络的硅氧或硼氧、铝氧骨架无弱联系离子几乎不导电。但是网络中充填了阳离子,特别是碱金属离子时,点阵结构在碱金属离子处中断,形成弱联系离子,产生热离子极化。这是影响玻璃介电性能的主要因素。


目前通常采用的是无碱玻纤E玻纤,其介电常数为 7.2 (1 MHz),不能满足高频电路的要求。首先可以采用的办法是混杂。在无碱玻纤中,除了E玻纤外,还有介电性能优秀的D玻纤(εr= 4.7,1MHz)和 Q 玻纤(εr= 3.9,1MHz),但是它们加工性能和成本较高,单独使用并不合适。通过对不同品种的玻纤进行合理的选配,要求既保证优良的低介电性能、加工性能,又能很好地解决工业化生产的成本问题。


还有不少公司或在E玻纤基础上提高低介电常数氧化物(如SiO₂、B₂O₃等)比例,或由低介电常数氧化物为主体构成新玻纤成分。


低介电玻璃纤维,是一种低介电常数、低介电损耗的新材料,受频率、温度变化影响小。与传统的D玻纤比较,它的制品具有优异的电气性能和加工性能。它适用于数字电视、全球定位系统、通信站、线路板、航空航天、高透波领域、宽频带轻质等高性能雷达。


目前国外生产低Dk玻璃纤维的厂家主要有法国Vetrotex公司、美国Erskin egelous公司、日本日东纺织株式会社、美国AGY公司等,国内主要有重庆国际复合材料有限公司、泰山玻纤、南京玻璃纤维研究设计院有限公司、四川省玻纤集团有限公司等。


其中,重庆国际复合材料有限公司的HL-GLASS低介电常数玻璃纤维具有介电常数Dk低、介电损耗因子Df低两大特性,适用于数字电视、全球定位系统、移动通信基站、高速数据中心、云计算中心、光通信等高频电子电路领域,也是航天、军用电磁透波领域制作电磁窗、透波墙及雷达罩的首选材料。


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图 CPIC HL-GLASS低介电常数玻璃纤维及其性能参数


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