淺談高頻微波射頻pcb線路板關(guān)鍵材料

淺談高頻微波射頻pcb線路板關(guān)鍵材料

印刷電路板（PCB）的電路材料是射頻（RF ）/微波電路的關(guān)鍵構(gòu)建塊-本質(zhì)上是這些電路的起點。PCB材料有許多不同的形式，并且材料的選擇在很大程度上取決于預(yù)期應(yīng)用的要求。例如，當進入軍事環(huán)境的極端情況時，在商用無線產(chǎn)品中可靠地支持高頻電路的材料可能會迅速失效。對PCB材料類型及其參數(shù)的基本了解可以幫助將材料與應(yīng)用程序匹配。

與許多射頻/微波組件一樣，PCB材料通過許多關(guān)鍵參數(shù)進行分類和比較，包括相對介電常數(shù)（Dk或εr），耗散因數(shù)（Df），熱膨脹系數(shù)（CTE），介電質(zhì)熱系數(shù)常數(shù)（TCDk）和熱導(dǎo)率。當對不同的PCB材料進行分類時，許多電路設(shè)計人員從Dk開始。PCB材料的Dk值是指與在真空中的同一對導(dǎo)體相比，在該材料上制造的一對非常接近的導(dǎo)體之間可用的電容或能量。

真空產(chǎn)生的參考值為1.0，其他介電材料則提供更高的參考值。例如，商業(yè)PCB材料的Dk值通常在大約2到10的范圍內(nèi)，具體取決于它們的測量方式和測試頻率。具有較高Dk值的材料上的導(dǎo)體可以比具有較低Dk值的材料上的導(dǎo)體存儲更多的能量。

印刷電路板（PCB）

PCB材料的Dk值會影響在該材料上制造的傳輸線的尺寸，波長和特性阻抗。例如，對于給定的特性阻抗和波長，在Dk值高的PCB材料上制造的傳輸線的尺寸將比在Dk值低的PCB材料上制造的傳輸線的尺寸小得多，盡管其他材料參數(shù)可能不同的。面對損耗是關(guān)鍵性能參數(shù)的電路的設(shè)計人員，通常傾向于使用Dk值較低的PCB材料，因為這些材料的損耗要比Dk值較高的材料低。

實際上，PCB材料可以通過介電損耗，導(dǎo)體損耗，泄漏損耗和輻射損耗四種方式失去信號功率，盡管通過選擇PCB材料可以更好地控制介電損耗和導(dǎo)體損耗。例如，Df參數(shù)提供了一種比較不同材料的介電損耗的方法，其中較低的Df值表示具有較低介電損耗的材料。

對于給定的傳輸線阻抗（例如50Ω），低Dk材料上的傳輸線在物理上會比高Dk材料上的傳輸線寬，而較寬傳輸線的導(dǎo)體損耗也較小。與較高Dk材料的較窄傳輸線相比，這些較寬的傳輸線還可以轉(zhuǎn)化為更高的制造良率（并節(jié)省生產(chǎn)成本）。但是，權(quán)衡取舍的是，它們在PCB上占據(jù)了更大的面積，這對于小型化至關(guān)重要的設(shè)計可能是一個問題。PCB基板的厚度，尤其是其銅導(dǎo)體層的厚度，也會影響傳輸線的阻抗，更薄的介電材料和導(dǎo)體會產(chǎn)生更窄的導(dǎo)體寬度，以保持所需的特性阻抗。

PCB材料的導(dǎo)體通常以銅的重量來指定，例如1盎司。（厚35微米）銅或2盎司。（厚度為70μm）銅。這些銅導(dǎo)體的質(zhì)量也會影響導(dǎo)體損耗。具有粗糙表面的銅導(dǎo)體將比具有光滑表面輪廓的銅導(dǎo)體表現(xiàn)出更高的導(dǎo)體損耗。

維持傳輸線的阻抗對于許多RF /微波電路至關(guān)重要，因此，將Dk控制在整個PCB的窄范圍內(nèi)并隨溫度變化，對于在設(shè)計中實現(xiàn)嚴格的阻抗至關(guān)重要。大多數(shù)PCB數(shù)據(jù)表都顯示了材料的Dk及其Dk公差，例如±0.5。

另一個重要的材料參數(shù)TCDk提供了有關(guān)PCB材料的Dk在工作溫度范圍內(nèi)變化多少的詳細信息，因為這也會影響傳輸線的阻抗。150 ppm /°C的TCDk值可能被認為是高值，而30 ppm /°C或更低的TCDk值被認為很低。對于必須在較寬的工作溫度范圍內(nèi)保持阻抗的電路，最好使用TCDk值較低的PCB材料。

除了溫度變化會影響Dk和阻抗外，它們還會對PCB產(chǎn)生機械影響。PCB的CTE是一個試圖顯示溫度對PCB材料的影響的參數(shù)。本質(zhì)上，它是材料隨溫度的膨脹/收縮的量度，而較低的值是目標。例如，盡管純PTFE具有較高的CTE（約300 ppm /°C），但由于其優(yōu)異的電特性，諸如聚四氟乙烯（PTFE）之類的材料長期以來一直用于高頻PCB。

一些PCB材料制造商（例如在其材料中使用PTFE，但添加了不同的填充材料以降低CTE值。值得關(guān)注的是，PCB介電材料的CTE應(yīng)該與其導(dǎo)體和其他層的CTE緊密匹配，以使溫度變化的機械影響最小化。

PTFE復(fù)合材料RT / duroid 6035HTC

這種陶瓷填充的PTFE復(fù)合材料RT / duroid 6035HTC具有高導(dǎo)熱性，可用于大功率電路應(yīng)用

對于任何商用PCB材料，通常會為所有三個軸（x，y和z）列出單獨的CTE值。CTE提供了一些有關(guān)PCB材料如何處理極端溫度的證據(jù)，例如在焊接過程中。例如，多層結(jié)構(gòu)中使用的材料的CTE值不匹配會導(dǎo)致可靠性問題，因為不同電路層的尺寸會隨溫度發(fā)生變化。通常認為具有較低CTE值的PCB材料比具有較高CTE值的材料具有更強的熱穩(wěn)定性。就在寬溫度范圍內(nèi)的使用而言，CTE為70 ppm /°C的電路材料被認為是相當堅固的，并且應(yīng)能夠應(yīng)對電路制造和裝配的極端溫度。

PCB材料的CTE應(yīng)該在x和y軸上與銅的CTE緊密匹配，以最大程度地降低機械應(yīng)力隨溫度的變化。另外，電路材料z軸上的CTE可以洞悉將通過介電材料形成的鍍通孔（PTH）的預(yù)期可靠性，因為這些鉆孔均鍍有銅。理想地，電介質(zhì)材料和銅將以類似的方式隨著溫度而膨脹和收縮，以實現(xiàn)PTH的高可靠性。 

射頻/微波電路（特別是用于大功率設(shè)計）的散熱是一項重要功能，其特征在于PCB的導(dǎo)熱性。盡管標準PCB材料的導(dǎo)熱系數(shù)可能為0.25 W / m / K，但通常會在PCB材料中添加填充劑，以將導(dǎo)熱系數(shù)提高到更有利的值（以及更好的散熱能力）。例如，RO4350B是羅杰斯公司的碳氫化合物/陶瓷PCB材料，長期以來一直是包括汽車和蜂窩通信系統(tǒng)在內(nèi)的高頻應(yīng)用的可靠構(gòu)建基塊材料。

RO4350B并非基于PTFE，但在10 GHz時z軸的Dk相對較低，為3.48±0.05，TCDk為+50 pm /°C，耗散系數(shù)為0.0037。它具有0.69 W / m / K的合理良好的導(dǎo)熱率。相反，同樣來自羅杰斯公司的RT / duroid 6035HTC是一種陶瓷填充的PTFE復(fù)合材料，專門為高功率，高頻電路而配制，Dk為3.50±0.05，TCDk為+50 ppm /°C。 ，并具有0.0013的低損耗因子。它具有出色的導(dǎo)熱性，典型值為1.44W / m / K。

射頻/微波PCB

從低成本的FR-4材料到昂貴的基于PTFE的材料，用于射頻/微波PCB的材料種類繁多。由FR-4材料組成的電路板實質(zhì)上是玻璃增強環(huán)氧樹脂的層壓板，而PTFE材料通常由玻璃纖維或陶瓷填充材料增強（盡管也使用純PTFE基PCB）。這兩種極端材料之間在性能上的差異指出了PCB材料在成本和性能之間以及在FR-4的易加工性與PTFE材料的加工難度之間必須進行的權(quán)衡。

出色的電路性能通常要付出高昂的代價，盡管許多PCB材料供應(yīng)商已投入巨大的精力來開發(fā)各種Dk值不同的復(fù)合材料，以用于各種RF /微波應(yīng)用。