一文了解環(huán)境變化對電路性能的影響

電子電路是在基板材料的基礎上構建的，這些材料可能極易受溫度和濕度等環(huán)境條件變化的影響。很多商業(yè)應用、消費應用、甚至是醫(yī)學應用的工作條件的變化是較為輕微的，例如都是室溫（RT）和低相對濕度（RH）條件。但是，很多其他的應用就沒有這么理想的工作條件了，尤其是設計用于航空航天（A&D）、工業(yè)以及太空環(huán)境的系統(tǒng)。并非所有電路材料的配方或特性都是針對不同應用所需的環(huán)境條件的不同組合而設計的，所以應謹慎考慮用于挑戰(zhàn)性工作環(huán)境的高頻、高速數(shù)字（HSD）電路的電路材料。

理想情況下，電子電路最好能始終在室溫和低相對濕度條件下使用。但是，即使是消費類電子，例如手機，也不得不在室外使用，工作環(huán)境可能是炎熱夏季，或者可能降到冰點（0℃或+32°F）以下的冬季。電路材料的電氣性能也許在室溫（通常是+25℃）條件下非常好，但也有可能會隨著工作溫度和/或濕度的變化而性能惡化。不過，很多電路在其使用壽命內，僅有一小部分時間是在理想條件下使用的。根據(jù)使用場合，工作溫度和相對濕度可能發(fā)生極端變化，因此會影響基于基板材料制成的電路的性能。

為了表征高頻、高速印刷電路板（PCB）材料在高溫條件下的特征，已經開發(fā)出可重復的試驗方法。測量被測材料制作的已知長度傳輸線的信號幅度和相位散射（S）參數(shù)，可以確定材料介電常數(shù)（Dk）和損耗因子（Df）等特征數(shù)據(jù)。例如，在室溫條件下進行的測量可以提供材料Dk的參考值；在高溫條件下獲得的結果可以確定升溫對電路材料Dk影響所需的詳細信息。

測試TCDf 也是非常困難的，即使是用程控和精密的試驗設備。不過還有一個更常見的參數(shù)，即插入損耗的溫度系數(shù)（TCIL），該參數(shù)是基于評估溫度變化對用某種電路材料制成的傳輸線插入損耗的影響。

溫度環(huán)境下的測試

電路材料的Dk表示材料儲存電磁（EM）的能力。電路材料的Dk是一個相對于真空Dk或1.00的數(shù)值。通過具有某一長度和寬度的傳輸線對傳輸信號幅度和相位的影響，我們能夠深入了解傳輸線所用基板材料的特征。

PCB材料的Dk測試同時需要測量和計算。對于高頻、高速電路材料來說，用于Dk的測量是建立在用相應材料制成已知長度傳輸線的基礎上進行，例如微帶線、帶狀線等眾所周知的傳輸線類型。因為波長（和電路尺寸）會隨頻率增加而縮小，所以電路材料的Dk測試方法通常是在10 GHz或以下頻率的帶狀線電路和30 GHz或更高毫米波（mmWave）頻率的微帶線電路基礎上進行。例如，羅杰斯公司（www.rogerscorp.com）使用夾具式帶狀線方法測定10 GHz頻率下的材料Dk，并使用微帶線差分相位長度法測試77 GHz頻率下的材料Dk。這些測試方法的準確度較高，可以用在常溫和高溫下測量溫度對Dk和電路損耗的影響。

為了測試不同工作溫度下的Dk值，我們用微帶線差分相位長度法在高溫環(huán)境下對工作于毫米波頻率（77 GHz）的很多電路材料進行了評估，包括羅杰斯公司的RO3003G2? 層壓板材料。該測試是在兩條傳輸線相位角測量的基礎上進行的，且這兩條傳輸線是用相同材料、相同類型銅導體所制成的不同長度傳輸線。首先在室溫條件下測量相位，作為參考值；然后在高溫條件下測量相位值。由于溫度對傳輸線的影響，以及在實驗頻率和工作溫度下對電路材料Dk的影響，因此室溫和高溫條件下測得的信號相位是不同的。

測試過程中，這些電路均連接到信號源和VNA上，先在室溫條件下測量77GHz的每個電路的S參數(shù)，確定參考水平。對于高溫條件下的測量，所有互連部位需保持不變，唯一的不同是控制的工作溫度。將溫度控制到65℃穩(wěn)定后，再次測量獲得在77 GHz條件下每個電路的幅度和相位的S參數(shù)。升高溫度至125℃后再次重復測量。最終測量結果提供了兩個不同長度的微帶線電路在三種不同工作溫度條件下77 GHz的幅度和相位的S參數(shù)值。這些數(shù)據(jù)即可用于確定被測材料的Dk和損耗隨溫度變化的特性。

測試結果

RO3003G2層壓板材料的性能優(yōu)異，其Dk和損耗（通常用Df表示）受高溫升溫的影響最小。

從測試結果來看：

1 在 77 GHz頻率下（見圖1），Dk的變化（ΔDk）非常小，在從常溫25℃到高溫125℃的較大溫度范圍內僅有0.010的變化量，對應相位的變化量（Δ?）僅有 6°。

2 而相同條件下，5mil的基于PPE樹脂的電路材料（見圖2）從常溫到高溫的Dk的變化（ΔDk）是0.031，對應相位變化量Δ?也較大，達到17°。

因此，通過多組材料的比較，RO3003G2層壓板材料更適用于如汽車相控陣雷達天線等對溫度條件敏感的電路的應用。

插圖說明

在+25℃、+65℃和 +125℃條件下，5mil RO3003G2層壓板和5mil PPE的層壓板（均為0.5oz.電解銅箔）在77GHz下的Dk隨溫度對比圖。

圖1

圖2