低介電玻纖在高頻PCB中的應(yīng)用
日期：2019-06-26
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隨著5G通信技術(shù)的飛速發(fā)展，對高頻高速PCB的需求也逐漸增長。微波PCB的高頻高速化，普遍要求原料基材可以達到低介電性能，而基材的介電常數(shù)和損耗因子與其組成息息相關(guān)。
一、高頻高速PCB傳輸與基材的關(guān)系
材料的介電性能是指在電場作用下，對靜電能的儲蓄和損耗的性質(zhì)，通常用介電常數(shù)（Dk）和介質(zhì)損耗（Df）來表示。Dk是衡量材料存儲電性能能力的指標，Dk越低，信號在介質(zhì)中傳送速度越快、能力越強。作為電容器，要求材料具備很高的Dk；作為PCB的組成部分，則需要材料具有極低的Dk。Df是衡量介電材料能量耗損大小的指標，Df越低，則信號在介質(zhì)中傳送的完整性越好。當(dāng)電介質(zhì)一定，外加電壓及頻率一定時，介質(zhì)損耗Df與介電損耗正切值（tan δ）成正比，即可以用tan δ來表示介質(zhì)損耗的大小。
高頻電路，需要構(gòu)成PCB的主要基材的Dk和Df盡可能低，這有利于提高電路板導(dǎo)線信號傳輸速度，降低信號時間延遲。在高頻電路中，信號傳輸速度可以表示為：
可以看出，基板介電常數(shù)越低，信號傳播得越快，因此要得到高的信號傳輸速率，就必須研究開發(fā)低介電常數(shù)的基板材料。
二、高頻PCB的低介電常數(shù)基板材料
PCB基材是由樹脂、玻纖、銅箔、填料等組合而成，優(yōu)化PCB介電性能的主要途徑是降低其組分的Dk和Df。
以前高頻PCB主要通過降低樹脂基材的Dk和Df來實現(xiàn)，而隨著研發(fā)技術(shù)的不斷增強，通過上述方式改變PCB介電性能越來越有限，故國內(nèi)外研發(fā)人員已開始對玻璃纖維進行改性來讓材料具有更低的Dk和Df。
玻璃纖維布主要在高頻PCB中起到增強作用，可以用于提升材料的力學(xué)性能。傳統(tǒng)E-玻纖，其DK值一般在6.6左右，明顯高于一般樹脂基材（聚四氟乙烯DK為2.0左右），且在高頻PCB中玻纖占有較高的體積分數(shù)，所以降低玻纖的介電性能尤為重要。
因此，為了滿足高頻PCB對玻纖低介電性能的需求，玻纖企業(yè)開發(fā)了低介電玻璃纖維。
三、玻璃纖維改性及低介電玻璃纖維生產(chǎn)廠家
目前，各國生產(chǎn)的硅酸鹽成分的玻璃纖維織物組成大體相同，其基礎(chǔ)成分都是 SiO?、Al?O?、CaO 三元系統(tǒng)，重量百分比在小范圍內(nèi)波動。常溫下構(gòu)成玻璃網(wǎng)絡(luò)的硅氧或硼氧、鋁氧骨架無弱聯(lián)系離子幾乎不導(dǎo)電。但是網(wǎng)絡(luò)中充填了陽離子，特別是堿金屬離子時，點陣結(jié)構(gòu)在堿金屬離子處中斷，形成弱聯(lián)系離子，產(chǎn)生熱離子極化。這是影響玻璃介電性能的主要因素。
目前通常采用的是無堿玻纖E玻纖，其介電常數(shù)為 7.2 （1 MHz），不能滿足高頻電路的要求。先可以采用的辦法是混雜。在無堿玻纖中，除了E玻纖外，還有介電性能優(yōu)秀的D玻纖（εr= 4.7，1MHz）和 Q 玻纖（εr= 3.9，1MHz），但是它們加工性能和成本較高，單獨使用并不合適。通過對不同品種的玻纖進行合理的選配，要求既保證優(yōu)良的低介電性能、加工性能，又能很好地解決工業(yè)化生產(chǎn)的成本問題。
還有不少公司或在E玻纖基礎(chǔ)上提高低介電常數(shù)氧化物（如SiO?、B?O?等）比例，或由低介電常數(shù)氧化物為主體構(gòu)成新玻纖成分。
低介電玻璃纖維，是一種低介電常數(shù)、低介電損耗的新材料，受頻率、溫度變化影響小。與傳統(tǒng)的D玻纖比較，它的制品具有優(yōu)異的電氣性能和加工性能。它適用于數(shù)字電視、定位系統(tǒng)、通信站、線路板、航空航天、高透波領(lǐng)域、寬頻帶輕質(zhì)等高性能雷達。
目前國外生產(chǎn)低Dk玻璃纖維的廠家主要有法國Vetrotex公司、美國Erskin egelous公司、日本日東紡織株式會社、美國AGY公司等，國內(nèi)主要有重慶國際復(fù)合材料有限公司、泰山玻纖、南京玻璃纖維研究設(shè)計院有限公司、四川省玻纖集團有限公司等。
其中，重慶國際復(fù)合材料有限公司的HL-GLASS低介電常數(shù)玻璃纖維具有介電常數(shù)Dk低、介電損耗因子Df低兩大特性，適用于數(shù)字電視、定位系統(tǒng)、移動通信基站、高速數(shù)據(jù)中心、云計算中心、光通信等高頻電子電路領(lǐng)域，也是航天、軍用電磁透波領(lǐng)域制作電磁窗、透波墻及雷達罩的選材料。
圖 CPIC HL-GLASS低介電常數(shù)玻璃纖維及其性能參數(shù)
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