PCB Material

PCB 構成最核心的基礎材料,就是 CCL(Copper Clad Laminate)銅箔基板。CCL 是由介電層(樹脂 + 玻纖)與導體(銅箔)組合而成,所以整體組合起來,就是由 Resin 樹脂、Glass Cloth 玻纖布、Copper Foil 銅箔堆疊起來製成 PCB。這三者基本決定了 PCB 物理強度、耐熱、電路傳輸的效果。

CCL 三大材料分工

銅箔是負責訊號與電力的傳輸導體,導電線路就是由銅來走。玻纖布的工作是負責增強物理強度的骨架,主要是為了撐起材料的機械和物理強度,避免板材變形。最後是樹脂,可以把它理解成膠水,負責將銅箔與玻纖布黏合在一起,提供電路板絕緣、黏著與決定材料特性的核心,像是常聽到的 DK 介電常數、Tg 耐熱性、Df 介電損耗。

PCB 材料加工階段:A / B / C Stage

在深入分析各材料之前,先說明 PCB 材料的加工階段,通常可以拆分成三個階段,分別是 A stage、B stage、C stage。

A Stage:Varnish

A stage 階段,樹脂這時未有任何化學反應,所以會呈現液態膠水狀的 varnish。未固化的樹脂會依照比例將固化劑和溶劑混合。

B Stage:Prepreg / PP

接下來進入 B stage,膠片也就是 PP(Prepreg)。在這個階段,液態樹脂會被浸到玻纖布中,並經過烘烤加熱去除脫溶劑。目前狀態下常溫會是固態,但再次加熱又會融化並重新流動,多層板壓合黏著就得依靠 PP。

C Stage:Laminate

最後進入 C stage,也就是看到的 laminate 基板狀態,會是完全固態的情況。在做壓合時,會將膠片和銅箔做堆疊,樹脂融化可以將銅箔與玻纖做咬合,並形成具備硬度跟絕緣特性的基板。

Resin 樹脂

Resin 樹脂扮演將所有物質黏合的接著劑角色。

觀察重點:在今日高速傳輸要求下,樹脂材料也不斷升級,主要在追求降低樹脂的極性,也就是所謂 Low Df 介電損耗這種數值。極性越低的樹脂,在面對高頻交流電時,分子偶極旋轉所消耗的能量越少,就可以進而實現極低的訊號損耗。

材料演進可以從 standard loss 開始說明。早期的酚醛樹脂(Phenol)或環氧樹脂(Epoxy)已難滿足現代需求,產業也開始轉向 Ester 或 BMI。但目前現代 AI Server 高階板材仍以 Modified PPE(NORYL)或 PPO 為主,可以做到 ultra low loss。

至於衛星通訊射頻相關元件,則會用到 hydrocarbon 碳氫樹脂為主的材料,可以做到低於 0.005 以下的 Df。近期熱門的 PTFE 聚四氟乙烯(俗稱鐵氟龍),可以做到 radio frequency 等級,Df 可以做到 0.001。

不過經由前輩分享,PTFE 的特性對於壓合不友善。目前向材料專長的前輩請教到,其他解方針對樹脂跟 Q 布的結合使用,有機會把 Df 拉到低於 0.001 以下。

Glass Cloth 玻纖布

Glass Cloth 玻纖布是撐起整體結構的骨架,主要任務是增加材料的物理與機械強度,確保電路板在經歷高溫加工不會變形。玻纖布的織法對訊號完整性有著決定性的影響。

由於樹脂與玻璃的介電常數不同,高頻訊號在兩者交界處穿梭時會產生微小的時間差,這被稱為 skew 現象。Skew 現象是在說明:訊號在兩根導線中經過的介質不同,導線訊號到達接收端的時間會產生時序偏移。

為了解決這個問題,玻纖布的織法從早期的「平織布」,逐漸進化到紗線較為展開的「開纖布」。目前在高階應用中表現最佳、最廣泛使用的是「扁平布」。扁平布的紗線被極度壓扁且緊密排列,大幅減少了樹脂與玻璃交替出現的空隙,讓訊號傳輸的路徑更加均勻穩定。

同時,隨著傳輸速率提升至 224Gbps,玻纖紗線本身的材質也必須升級。傳統的 E-Glass 已經無法勝任,取而代之的是各類 Low Dk Glass,甚至是 Advanced Low Dk Glass,更甚至是近期很熱門的 Q 布,透過降低玻璃本身的介電常數與損耗,與樹脂做搭配。

Copper Foil 銅箔

Copper Foil 銅箔可以理解成負責傳導電壓與高速訊號的高速公路。

在直流電或低頻環境下,電流會均勻地流過銅箔的整個截面積;但隨著訊號頻率升高,電流會產生明顯的「集膚效應」(Skin Effect),也就是介質不均勻時,電流會越來越集中在銅箔的表面傳輸。這意味著,銅箔表面的粗糙度將直接決定高頻訊號傳輸的路徑長度與摩擦損耗。

為了克服傳輸耗損,銅箔的發展趨勢就是追求「極致平滑」。從早期表面粗糙度 Rz 在 5.0 微米左右的反轉銅箔 RTF,逐步進化到 RTF2、RTF3。而對於要求超低損耗的高階板材,則必須使用粗糙度小於 1.5 微米的 hyper very low profile,也就是 HVLP。

目前業界最先進的 HVLP5,其粗糙度甚至被要求在 0.5 微米以下,只有更平滑的材質能確保高頻訊號在銅箔表面以最短以及最快的速度傳輸。

總結

參考前輩給的 comment,目前 PCB 材料在 CCL 的升級上,主要都還是針對銅箔產生的 skin effect,以及玻纖布的玻纖效應去做處理。

材料面上,大家都在追求極致的 low CTE、low Df、low Dk。在 resin 這塊,Dk 已經非常低,但玻纖布只有 Df 非常低、Dk 還沒跟上,所以主要會關注玻纖布的發展。這塊對於 CCL 的發展更重點,所以解方才會看到 Q 布和各種 Low Dk 的推進。