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            微波射频用印制板PCB的选材

            发布日期:2021-11-05 11:16:30  |  关注:18

            图片1.png随着无线通讯和宽带网络的发展,PCB已不再简简单单是在一些绝缘的基材上面布上金属导线,实现互联。在许许多多的情况下,基材和金属导体已经成为功能元件的一部分。尤其是在射频应用中,元件与基材相互作用,从而,PCB的设计和制造越来越对产品的功能产生至关重要的影响。如左图1所示的微波板的一个典型部分,上面的导体都是一个个元件。

            我们PCB制造者也更多的介入与设计相关的东西,尤其是到高频,高速信号传输中更是如此。同样设计者也必须对PCB制造工艺有深入的了解,才能综合生产出合格的,高性能的PCB

             

            我们从这期开始介绍一些大家经常接触的参数,由浅入深做一些技术探讨,希望能够加深设计与制造的沟通和交流。



            1.介电常数

             介电常数(Dk, ε,Er)决定了电信号在该介质中传播的速度。电信号传播的速度与介电常数平方根成反比。介电常数越低,信号传送速度越快。我们作个形象的比喻,就好想你在海滩上跑步,水深淹没了你的脚踝,水的粘度就是介电常数,水越粘,代表介电常数越高,你跑的也越慢。

             

            介电常数并不是非常容易测量或定义,它不仅与介质的本身特性有关,还与测试方法,测试频率,测试前以及测试中的材料状态有关。介电常数也会随温度的变化而变化,有些特别的材料在开发中就考虑到温度的因素.湿度也是影响介电常数的一个重要因素,因为水的介电常数是70,很少的水分,会引起显著的变化.

             

            以下是一些典型材料的介电常数(在1Mhz下):

            真空

            1.0

            纯PTFE

            2.1

            GY PTFE

            2.2-2.3

            GX-PTFE

            2.55

            氰酸酯/玻璃

            3.2

            氰酸酯/石英

            2.8-3.4

            聚酰亚胺-石英

            3.5-3.8

            聚酰亚胺-玻璃

            4.0-4.6

            环氧树脂-玻璃(FR4)

            4.4-5.2

            无纺芳香胺(aramid)

            3.8-4.1

            芳香胺(织布)

            3.8-4.1

            陶瓷填充聚四氟乙烯

            6.0-10.2

            Foamclad (Arlon 专利)

            1.15-1.3

            70.0

            可以看出,对于高速、高频应用而言,最理想的材料是由铜箔包裹的空气介质,厚度允差在+/-0.0000”。作为材料开发,大家都在朝这个方向努力,如Arlon 专利开发的Foamclad非常适合机站天线的应用。但也并非介电常数越小越好,它往往根据一些实际的设计而定,一些要求体积很小的线路,常常需要高介电常数的材料,如Arlon的AR1000 用在小型化线路设计.有些设计如功放,常用介电常数2.55(如Arlon Diclad527, AD255等),或者介电常数3.5(如AD350,25N/FR等).也有采用4.5介电常数的,(如AD450)主要从FR-4设计改为高频应用,而希望沿用以前设计.

             

               介电常数除了直接影响信号的传输速度以外,还在很大程度上决定特性阻抗,在不同的部分使得特性阻抗匹配在微波通信里尤为重要.如果出现阻抗不匹配的现象,阻抗不匹配也称为VSWR (驻波比).

            .

            CTEr:由于介电常数随温度变化,而微波应用的材料又常常在室外,甚至太空环境,所以CTEr(Coefficenc of Thermal of Er,介电常数随温度的变化系数)也是一个关键的参数.一些陶瓷粉填充的PTFE能够有非常好的特性,如CLTE.

            图片2.png 

             

             

             

             

             

             

             

             

             

             

             

             

             2.损耗因子(Loss, loss tangent, Df, Dissipation factor

             

            除了介电常数,损耗因子是影响材料电气特性的重要参数.介电损耗也称损耗正切,损耗因子等,它是指信号在介质中丢失,也可以说是能量的损耗.这是因为高频信号(它们不停地在正负相位间变换)通过介质层时,介质中的分子试图根据这些电磁信号进行定向,虽然实际上,由于这些分子是交联的,不能真正定向.但频率的变化,使得分子不停地运动,产生大量的热,造成了能量的损耗.而有些材料,如PTFE的分子是非极性的,所以不会受电磁场的影响变化,损耗也就较小. 同样,损耗因子也跟频率和测试方法有关.一般规律是在频率越高,损耗越大.


            最直观的例子是传输中电能的消耗,如果电路设计损耗小,电池寿命可以明显增加;在接收信号时,采用的损耗的材料,天线对信号的敏感度增加,信号更清晰.

             

            常用的FR4环氧树脂(Dk4.5)极性相对较强,在1GHz下,损耗约0.025,而PTFE基材(Dk2.17)在此条件下的损耗是0.0009.石英填充的聚酰亚胺与玻璃填充的聚酰亚胺相比,不仅介电常数低,而且损耗也较低,因为硅的含量较纯.

             


            3. 热膨胀系数 (CTE)

            热膨胀系数通常简写为CTE(Coeffecient Thermal Efficent),它是材料的重要热机械特性之一.指材料受热的情况下膨胀的情况. 实际的材料膨胀是指体积变化,但由于基材的特性,我们往往分别考虑平面(X-, Y-)和垂直方向的膨胀(Z-).

            平面的热膨胀常常可以通过增强层材料加以控制,(如玻璃布,石英, Thermount ), 而纵向的膨胀总是在玻璃转化温度以上难以控制.

            平面的CTE对于安装高密度的封装至关重要,如果芯片(通常CTE在6-10ppm/C)安装在常规PCB上(CTE 18ppm/C),通过多次的热循环以后,可能造成焊点受力过度老化.而Z轴的CTE直接影响镀孔的可靠性,尤其对于多层板而言.

            通常PTFE的CTE较大,用纯的PTFE制造多层板不太多见,常常采用陶瓷粉填充的PTFE, 如Arlon公司的CLTE, LCCLTE 等, 最有代表性的应用是制造高达64层多层板,用于全球通信卫星上.


            在许多微波领域,有较多是大功率的应用,材料的散热特性能在很大方面影响整个系统的可靠性.所以导热系数也应当成为我们考虑的一个方面.有些特别的高可靠高功耗应用,还可以采用金属衬(铝基或铜基).

            材料类型

            实例

            导热系数 W/mk

            PTFE/玻璃布

            Diclad, Cuclad

            0.26

            PTFE/陶瓷粉,玻璃布

            CLTE

            0.5


            AR1000

            0.65


            AD350i

            0.45

            陶瓷粉填充热固型材料

            25N/FR

            0.45

            导热材料

            99N

            1.2

            FR-4


            0.24-0.26


            5.可制造性

            我们了解,PTFE材料比较难于加工,尤其是孔金属化,需要等离子体或萘钠处理,提高它的活性,而且PTFE是热塑性材料,多层板加工要求温度较高. 现在也开发出了新的低损耗热固性树脂材料用于高频线路,可以加工多层板,而无需等离子体活化, 如Arlon25N/FR. 目前大量用于LNA,PA 和天线设计中.吸潮性也是一个考虑因素.尽可能选用吸潮小的材料,电气特性更加稳定.


            6. 无源交调(PIM)

            在射频的前端设计,如天线,滤波都对无源交调有所要求.这也与PCB的基材相关. 有些公司采用特定的铜箔,使得无源交调保持在一定的范围.下表给出没有无源交调要求的板材和有特定要求的板材PIM的区别.

             

            小结

             

            微波材料的选择主要通过介电常数,损耗,热膨胀系数,导热性几方面选择.


            低成本低损耗热固性

            高介电常数陶瓷填充PTFE

            低介电常数,低损耗PTFE

            CTEr稳定的陶瓷填充PTFE

            低成本商用PTFE

            Arlon

            Arlon 25N

            AR-1000

            DiClad 880

            CLTE-LC

            AR-320

            Dk (10 GHz)

            3.38

            10

            2.17

            2.98

            3.2

            v (1010 cm/sec)

            1.63

            0.95

            2.03

            1.74

            1.68

            Df

            0.0025

            0.003

            .0009

            0.0025

            0.003

            导热系数W/m-oK

            0.4

            0.65

            0.3

            0.25

            0.3

            CTEr ppm/oC

            -25

            -233

            -160

            Nil

            -100

            CTE (ppm/oC)

            15-18

            14-16

            25-35

            17-18

            9-12

            主要应用

            LNB's, 功放, Combiners Splitters RF Amps

            射频功放

            小型天线

            LNA,滤波器,天线,放大器

            天线,卫星用功放,滤波器,耦合器

            天线,

            功放,

            滤波器


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