PTFE: Hochgeschwindigkeits-Leiterplatten werden neu bewertet

Hochgeschwindigkeitssignale in KI-Servern werden immer schneller. In der Vergangenheit konzentrierte sich das PCB-Design hauptsächlich auf die Anzahl der Schichten, die Leiterbahnbreite, die Impedanz und die Kupferfolie. Mit dem Aufkommen von 224G SerDes und darüber hinaus ist auch die Wahl des Substratmaterials von entscheidender Bedeutung geworden. Je höher die Signalübertragungsrate innerhalb einer Leiterplatte ist, desto schwieriger ist es, den durch das Material selbst verursachten Signalverlust zu ignorieren. Vor diesem Hintergrund rückt PTFE erneut in den Fokus der Aufmerksamkeit.

I. Warum kommt PTFE ins Spiel?

PTFE oder Polytetrafluorethylen ist allgemein unter dem Markennamen Teflon bekannt und wird als Beschichtung auf antihaftbeschichtetem Kochgeschirr verwendet. Es weist mehrere herausragende Materialeigenschaften auf: niedrige Dielektrizitätskonstante, geringer dielektrischer Verlust, geringe Wasseraufnahme und hohe chemische Stabilität.

Hochgeschwindigkeitssignale in Leiterplatten erzeugen elektromagnetische Felder, die zwischen der Kupferfolie und dem Dielektrikum verteilt werden. Folglich tragen das Substratharz und die Verstärkungsmaterialien zum dielektrischen Verlust bei. Je höher die Signalfrequenz, desto ausgeprägter wird der dielektrische Verlust. Herkömmliche Harzsysteme können den Anforderungen von High-End-KI-Serverprodukten – wie KI-Switches, Hochgeschwindigkeits-Backplanes und Subboards in optischen Modulen – zunehmend nicht mehr gerecht werden, weshalb verlustarme Materialien immer wichtiger werden.

II. Welche Rolle spielt PTFE?

PTFE kann dielektrische Verluste reduzieren und ermöglicht so, dass Hochgeschwindigkeitssignale über größere Entfernungen und bei höheren Frequenzen bessere Augendiagramme und Verbindungsmargen aufrechterhalten. Für verlustarme Hochgeschwindigkeitssubstrate wie M10 sind PTFE und seine Verbundwerkstoffe nicht mehr auf die Verwendung in HF-Platinen beschränkt, sondern haben sich zu praktikablen Materialoptionen für Hochgeschwindigkeits-Digitalsysteme entwickelt. Es handelt sich nicht um ein Einheitsmaterial, das für alle passt. Es eignet sich am besten für den Einsatz in Bereichen, in denen Hochgeschwindigkeitssignale am empfindlichsten sind, und erfordert keinen Austausch der gesamten Platine.

Bei Hochgeschwindigkeitskanälen reduzieren PTFE-basierte Harzsysteme Verluste und stellen so sicher, dass nach dem Durchgang des Signals durch die Leiterplatte, Anschlüsse, Durchkontaktierungen und Kupferfolie ein größerer Spielraum für das Empfangsende verbleibt.

III. Welche Probleme wirft PTFE auf?

Das Hauptproblem von PTFE besteht darin, dass es schwierig zu verarbeiten ist.

Erstens hat es eine geringe Oberflächenenergie, was es schwierig macht, sich mit Kupfer zu verbinden und mit Lötmasken und Klebesystemen stabile Verbindungen zu bilden (denken Sie an die antihaftbeschichteten Pfannen, die Sie zu Hause haben). Während das Verfahren für Standard-Epoxidharz- und Glasfasergewebesysteme gut etabliert ist, erfordert PTFE eine spezielle Oberflächenbehandlung, Kupferfolienbehandlung und Laminierungsverfahren.

Zweitens ist es relativ weich und weist eine hohe Wärmeausdehnung auf. Reines PTFE mangelt an ausreichender mechanischer Stabilität und kann nicht alle strukturellen Anforderungen komplexer Mehrschichtplatinen direkt erfüllen. Daher enthalten Hochfrequenz-PTFE-Materialien häufig Füllstoffe wie Glasmikrofasern, Keramikpulver und Mikrosilika, um die Steifigkeit, Wärmeausdehnung und Dimensionsstabilität zu verbessern.

Drittens ist es nicht für das Laserbohren mit herkömmlichen Methoden geeignet. PTFE absorbiert bestimmte UV-Laser nur schlecht, und da das Material verschiedene Komponenten wie Glas, Keramik und Kupferfolie enthalten kann, ist das Laserablationsverhalten inkonsistent und es können Klebstoffrückstände zurückbleiben, die die Reinigung, Aktivierung und Metallisierung der Lochwände erschweren.

Viertens stellt das Laminieren erhebliche Herausforderungen dar. Hochgeschwindigkeitsplatinen, die in KI-Servern verwendet werden, bestehen selten aus einem einzigen Material. Die Hochgeschwindigkeitsschichten können verlustarme Materialien verwenden, während Standardschichten immer noch auf ausgereiften Harzsystemen basieren können. Das Zusammenlaminieren verschiedener Materialien kann zu Verzug, Dimensionsänderungen, Problemen bei der Zwischenschichtbindung und Problemen bei der Zuverlässigkeit führen.

IV. Welche Chancen werden diese Herausforderungen mit sich bringen?

Die Möglichkeiten, die PTFE bietet, gehen über das Harz selbst hinaus.

Es wird Verbesserungen bei den Füllern geben. Keramikpulver, Mikrosilika und verlustarme Füllstoffe können die Wärmeausdehnung reduzieren, Dk anpassen und die Steifigkeit und Dimensionsstabilität verbessern. Der Wettbewerb zwischen High-End-Materialien wird in Zukunft nicht nur von der Art des Harzes abhängen, sondern auch von den Formulierungs- und Dispergierfähigkeiten.

Die PCB-Verarbeitungskapazitäten müssen weiter verbessert werden. PTFE-Co-Molding über Wandbehandlung, Plasmaaktivierung, Bohren, Kupferplattieren, Impedanzkontrolle und Verzugskontrolle werden zu wichtigen Eintrittsbarrieren für High-End-Leiterplattenhersteller.

Insgesamt wurde PTFE für Hochgeschwindigkeits-Leiterplatten ausgewählt, weil die Signalgeschwindigkeit herkömmliche Materialsysteme an ihre Grenzen gebracht hat und PTFE zwar geringe Verluste bietet, aber auch Herausforderungen in Bezug auf Material und Verarbeitung mit sich bringt – und genau in diesen Herausforderungen liegen Chancen.

PTFE in Leiterplatten: Geringer Signalverlust, hohe Verarbeitungsschwierigkeiten

KI-Server, optische 800G- und 1,6T-Module, Millimeterwellenradar und Satellitenkommunikation stellen alle höhere Anforderungen an die Signalübertragungsfrequenz von Leiterplatten. Je höher die Frequenz, desto größer ist der Signalverlust auf der Leiterplatte. Derzeit nähert sich die Leistung von Standard-Epoxid- und Kohlenwasserstoffharzsubstraten allmählich der von PTFE an. Infolgedessen wird PTFE in immer mehr Hochfrequenz-Leiterplatten verwendet.

I. Warum sich PTFE zur Übertragung hochfrequenter Signale eignet

PTFE oder Polytetrafluorethylen hat ein molekulares Rückgrat aus Kohlenstoffatomen, wobei an jedes Kohlenstoffatom zwei Fluoratome gebunden sind; seine Grundstruktur kann als -CF₂-CF₂- dargestellt werden.

Kohlenstoff-Fluor-Bindungen besitzen eine sehr hohe Bindungsenergie und die Fluoratome umgeben die Kohlenstoffkette, was das Eindringen von Wasser, Lösungsmitteln und Chemikalien von außen erschwert. Dadurch weist PTFE eine hohe Temperaturbeständigkeit, geringe Wasseraufnahme, Korrosionsbeständigkeit und hervorragende elektrische Isolationseigenschaften auf. Obwohl die Kohlenstoff-Fluor-Bindungen polar sind, ist die räumliche Anordnung der PTFE-Molekülketten relativ symmetrisch, wodurch sich die Dipoleffekte mehrerer Bindungen gegenseitig aufheben; Fluoratome haben eine starke Elektronenbindungskraft, was es für externe elektrische Felder schwierig macht, signifikante Polarisationsänderungen hervorzurufen. Wenn hochfrequente elektrische Felder wiederholt wechseln, absorbiert PTFE nur minimale Energie und weist einen geringen dielektrischen Verlust auf.

Eine niedrige Dielektrizitätskonstante bedeutet, dass bei gegebener Impedanz die Leiterbahnen breiter gemacht werden können und Herstellungstoleranzen relativ einfacher zu kontrollieren sind. Durch den geringen dielektrischen Verlust können die Signalübertragungsentfernungen erhöht werden, während Einfügedämpfung und Wärmeentwicklung reduziert werden. Die dielektrischen Eigenschaften variieren kaum mit der Frequenz und der Luftfeuchtigkeit, was auch die Phasenkonsistenz bei der Signalübertragung in Hochgeschwindigkeitskanälen verbessert.

II. Das PTFE in Leiterplatten ist keine einzelne Schicht aus reinem Harz

Reines PTFE ist relativ weich, mit einem Elastizitätsmodul von nur etwa 400–800 MPa. Es neigt zum Kriechen und Kaltfluss, was es schwierig macht, als alleinige mechanische Struktur für mehrschichtige Leiterplatten zu dienen. Bei den sogenannten PTFE-kaschierten Kupferlaminaten handelt es sich typischerweise um Verbundwerkstoffe: PTFE sorgt für Isolierung und verlustarme Eigenschaften; Glasfaser sorgt für Festigkeit und Dimensionsstabilität; Keramikpartikel passen die Dielektrizitätskonstante, den Wärmeausdehnungskoeffizienten und die Wärmeleitfähigkeit an; und Kupferfolie ist sowohl auf die Ober- als auch auf die Unterseite laminiert.

Daher geht der Wettbewerb auf dem Markt für PTFE-kaschierte, kupferkaschierte Laminate über die Reinheit des Harzes hinaus. Die Morphologie der Glasfasern, die Partikelgröße der Keramikpartikel, die Verteilung der Füllstoffe, die Rauheit der Kupferfolie und der Laminierungsprozess beeinflussen alle Verluste, Impedanz und Dimensionsstabilität.

III. Was sind die Herausforderungen bei der Verarbeitung von PTFE-basierten Leiterplatten?

Die Herausforderung liegt im Bohren von Löchern.

Beim mechanischen Bohren führt die durch die Hochgeschwindigkeitsrotation des Bohrers erzeugte Reibungswärme dazu, dass das PTFE in der Nähe der Lochwände erweicht. Im Gegensatz zu herkömmlichen spröden Harzen bildet PTFE keine sauberen Späne. Stattdessen wird es durch den Bohrer leicht gedehnt und an den Lochwänden und den inneren Kupferschichten verschmiert, was zu Graten, Fasern und Harzrückständen führt. Diese Rückstände isolieren die innere Kupferschicht von den nachfolgenden Kupferplattierungsschichten und können möglicherweise zu Ausfällen bei Durchgangslochverbindungen führen. Wenn der Leiterplatte Glasfaser und Keramik hinzugefügt werden, erhöht sich die Steifigkeit der Platine; Allerdings beschleunigen diese harten Partikel den Bohrerverschleiß, was zu einer weiteren Erhöhung der Lochwandrauheit führt. Daher erfordern PTFE-Platten in der Regel eine strengere Kontrolle der Lebensdauer des Bohrers, der Drehzahl, der Vorschubgeschwindigkeit, der Laminatdicke und der Spanabfuhr.

Wenn chemisches Ätzen verwendet wird, verhindert die niedrige Oberflächenenergie von PTFE das Anhaften von Wasser, Klebstoffen und Verunreinigungen, erschwert jedoch auch das Anhaften von galvanisiertem Kupfer an den Lochwänden. Darüber hinaus sind fluorhaltige Verbindungen weniger reaktiv als andere chemische Stoffe.

Die Laserbearbeitung stellt andere Herausforderungen dar. Die Kohlenstoff-Fluor-Bindungen in PTFE sind stabil und reines PTFE weist in den üblichen UV-Laserwellenlängenbereichen eine geringe Absorption auf, was es schwierig macht, mit herkömmlichen Lasern eine qualitativ hochwertige Ätzung zu erreichen. Beim Einsatz eines CO₂-Lasers kann man sich darauf verlassen, dass thermische Effekte einen Teil des PTFE entfernen; Allerdings variieren die Absorptionsraten und Entfernungsgeschwindigkeiten des Lasers je nach Harz, Kupfer, Glasfaser und Keramik. Bei zu geringer Energie kann der Laser das Material nicht durchdringen; Wenn er zu hoch ist, kann es zu einem Schmelzen der Lochwand, Rückständen, konischen Löchern und Schäden an der Zwischenschicht kommen.

Der Einbau von PTFE in Hochfrequenz-Leiterplatten bringt mehr als nur einen Anstieg des Harzbedarfs mit sich. Das Upstream-Segment umfasst hochreines PTFE, ultrafeine Glasfasern, verlustarme Keramikpulver, Kupferfolie mit geringer Rauheit und spezielle Klebefolien; das Midstream-Segment umfasst Füllstoffdispersion, Kalandrierung, Sintern, Laminieren und Kupferplattieren; und der PCB-Herstellungsprozess erfordert zusätzliche Fähigkeiten wie Spezialbohren, Plasmaaktivierung, Laserbearbeitung, Wandinspektion und Impedanzprüfung. Die elektrischen Vorteile von PTFE werden letztendlich durch eine Kombination aus Materialformulierung und PCB-Verarbeitung erreicht.