新一代服务器平台用无卤甚低损耗覆铜板的研制

何烈相 刘 洋 吴彦兵

（广东生益科技股份有限公司，广东 东莞 523808）

全球正在经历新一代信息技术革命，随着5G、云计算、大数据和人工智能等技术应用加快，数字经济蓬勃发展，在数据流量处于高速增长阶段的情况下，如果数据传输效率不提升，则会造成拥堵。国际一线大厂如Google、Facebook、Amazon以及国内的互联网服务商（ISP），如百度、阿里、腾讯、新浪等都在积极的建设数据中心，应对未来持续成长的庞大云端服务需求。因此需要大量基础设施的支撑，服务器就是其中重要的核心设备之一。

随着以Intel芯片为主导的服务器产品成为发展趋势，服务器平台升级将带动整个服务器行业进入上行周期，而印制电路板（PCB）以及其关键原材料覆铜板（CCL）作为承载服务器内各种走线的关键基材，除了服务器周期带来的量增逻辑，同时还存在服务器平台升级带来的价增逻辑。

新一代服务器平台以Eagle Stream服务器平台为例，届时主要端口的传输速率将会由现在Whitley平台的16 Gbps上升到32 Gbps，Intel也提出了对应的基材电路传输的插入损耗（IL：Insertion Loss）要求（见表1所示），IL<-0.96 dB/in@16 GHz。

表1 Eagle Stream服务器平台对插入损耗要求表

为了满足Eagle Stream服务器平台甚低插入损耗的要求，覆铜板业界的主流是选择聚苯醚（PPO）树脂作为技术路线，但PPO成本高，供应来源单一，而另外一条双马来酰亚胺（BMI）树脂路线存在PCB加工过程钻刀磨损大问题，本文重点介绍了一款特殊环氧树脂固化体系，搭配第三代反转箔（RTF）铜箔而开发的甚低（Very low loss）级别高速领域的覆铜板（Synamic6GX），介绍其关键性能、电性能、可靠性等，该板材可以满足下一代Eagle Stream服务器产品的应用需求。

2 实验部分

2.1 主要原材料

特殊环氧树脂、改性树脂、固化剂、填料、阻燃剂、溶剂、玻纤布、铜箔等。

2.2 覆铜板的制作

根据设计好的实验配方，称取一定量环氧树脂、改性树脂、固化剂、阻燃剂和溶剂共混搅拌制得均匀胶液；调整好上胶机夹轴间隙、转速，使用E-玻纤布作为增强材料，浸以配好的胶液，均匀上胶。将浸过胶液的玻纤布放入设定好烘烤条件的烘箱，烘成半固化黏结片。然后将制得的黏结片根据不同板材厚度的要求叠加，两面覆以铜箔，置于真空压机中压制成覆铜板。

2.3 覆铜板性能测试

参照IPC标准及生益科技企业标准的检测方法，对由上述制成的覆铜板进行性能测试，主要测试项目及仪器如下。

（1）玻璃化转变温度Tg：差示扫描量热仪（DSC），升温速率20 ℃/min，氮气保护；

（2）热分解温度Td：热重分析法（TGA）；

（3）Z-CTE及热分层时间T300：热机械分析法（TMA）；

（4）介电常数与介质损耗因子：带状线法（10 GHz）、平板电容法（1 GHz）；

（5）层间结合力：剥离强度测试仪；

（6）热导率：热阻仪，按ASTM D5470标准；

（7）铜箔剥离强度：剥离强度测试仪，按IPC-TM-650方法；

（8）燃烧性：燃烧试验箱（UL94）。

2.4 PCB性能测试

（1）带状线损耗：Delta-L测试方法（网络分析仪）；

（2）多层板耐热性：切片分析（光学显微镜）；

（3）CAF（耐离子迁移）性能：温度85 ℃，湿度85%，电压50 V（绝缘电阻在线测试系统）。

3 结果与讨论

3.1 覆铜板基本性能

研制的高耐热性、低传输损耗的覆铜板（Synamic6GX）具有优异的综合性能，具体如表2所示。

表2 覆铜板（Synamic6 GX）基本性能表

3.2 覆铜板耐热性分析

如图1所示，开发品具有Tg（DSC）为174.5 ℃，可满足PCB的无卤高Tg要求。

图1 覆铜板Tg测试曲线图

如图2所示，开发品具有Td（5%loss）高达400.5 ℃，可满足PCB的无铅焊接要求。

图2 覆铜板Td（5% loss）测试曲线图

如图3所示，开发品具有较长的热分层时间，T300大于60 min，说明板材具有优异的耐热性能，可满足PCB加工中抗树脂分层。

图3 覆铜板T300（带铜）测试曲线图

如图4所示，开发品具有较低的热膨胀系数:其中α1（50～130 ℃ CTE）：31.3×10-6/℃，α2（200～260 ℃ CTE）：202.7×10-6/℃，50～260 ℃的膨胀百分比：2.34%。板材具有较高的尺寸稳定性，有利于其在PCB加工过程中的顺利定位。

图4 覆铜板Z-CTE测试曲线图

3.3 PCB应用研究

3.3.1 信号完整性（SI）性能

为实现较低Dk，最主要的手段是降低基材的Df性能，本配方体系经过实验优化，在10 GHz最低的Df可以达到0.0050，基本已经是环氧树脂体系Df极限值。

与此同时，随着信号频率的增大，高速信号在传输线的铜箔表面产生的“趋肤效应”越来越显著[1]，从而使导体损耗增加。按照传统服务器搭配的普通RTF铜箔，带状线插入损耗无法满足Eagle Stream服务器平台的要求。故本文采用不同等级铜箔与板材搭配研究，以寻求成本较低，同时满足SI电性能要求的方案。

铜箔影响材料电性能的因素有：粗糙度、比表面积、铜瘤颗粒大小、镀层金属元素等，其中粗糙度是非常重要的一项性能指标，图5为我们从铜箔粗糙度维度对铜箔进行分级。

图5 按粗糙度对铜箔分级

由表3可知，随着铜箔粗糙度降低，材料的损耗越低，通过研究表明，Synamic6GX板材的0.10 mm芯板（core）和0.125 mm PP搭配RTF3等级铜箔，在16 GHz频率下插入损耗为-0.89 dB/in，可以满足Eagle Stream平台的损耗要求，且其电性能表现与HVLP2基本相当，但RTF3铜箔成本优势明显。

表3 使用不同粗糙度铜箔的损耗性能表

本文发现RTF3的粗糙度相对RTF2只下降了0.2 μm，但损耗下降了5%。在使用电子显微镜观察其截面形貌，发现RTF3铜箔采用了块状晶体结构（如图6所示），这与常规采用柱状结晶结构的RTF2铜箔（如图7所示）是不同的。

图6 块状结晶RTF3铜箔图

图7 柱状结晶RTF2铜箔图

电信号在铜箔内传输时，会被晶界折射和反射而发生电信号损失，从这方面讲块状结晶相比传统的枝状结晶优势明显。针对Synamic6GX搭配不同的晶体结构RTF3铜箔进行损耗研究，表4的结果表明，RTF3铜箔使用块状结晶铜箔相对于柱状结晶损耗降低1.5%。

表4 铜箔不同晶体结构对损耗影响

3.3.2 多层板耐热性

高多层PCB的耐热可靠性除了与原材料覆铜板的耐热性相关外，与PCB的加工也有较大关系。在同等条件下，PCB层数越高，厚度越大，内层铜厚度越厚，节距越小，对基材耐热性要求更高[2]。本文采用新开发的覆铜板制作成26层3.8 mm厚度的高多层PCB，内层含有4层70 μm（2 oz）厚铜，最小节距（pitch）0.6 mm BGA做5次无铅回流处理。制作切片，使用光学显微镜对板材内部形貌进行观察，结果无分层、爆板或裂纹等缺陷出现，表现出良好的耐热可靠性，见图8所示。

图8 26 L板5次无铅回流处理后的切片图

3.3.3 耐离子迁移性能

耐离子迁移性能以CAF为代表，图9为CAF性能测试图。模型为26 L多层板，内含4层70 μm铜箔，测试条件为温度85 ℃，湿度85%，电压为50 V，从图9可以看出，在经过1000 h的测试后，最小0.6 mm节距的通道其电阻均在108 Ω以上，表明CAF性能良好。

图9 26 L PCB的Anti-CAF测试

4 结论

本文研究开发了一款甚低损耗级别的覆铜板（Synamic6GX）及黏结片材料，该材料具有较高Tg、较高的耐热性和耐CAF性，甚低的介质损耗和插入损耗，可满足新一代服务器平台Eagle Stream服务器平台对应高多层PCB的耐热性和信号完整性的需求。