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(diǎn)。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(dāng)進(jìn)入軍事環(huán)境的極端情況時(shí)，在商用無(wú)線產(chǎn)品中可靠地支持高頻電路的材料可能會(huì)迅速失效。對(duì)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(guò)許多關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行分類和比較，包括相對(duì)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(dāng)對(duì)不同的PCB材料進(jìn)行分類時(shí)，許多電路設(shè)計(jì)人員從Dk開(kāi)始。PCB材料的Dk值是指與在真空中的同一對(duì)導(dǎo)體相比，在該材料上制造的一對(duì)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(cè)量方式和測(cè)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(chǔ)更多的能量。

印刷電路板（PCB）

PCB材料的Dk值會(huì)影響在該材料上制造的傳輸線的尺寸，波長(zhǎng)和特性阻抗。例如，對(duì)于給定的特性阻抗和波長(zhǎng)，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(duì)損耗是關(guān)鍵性能參數(shù)的電路的設(shè)計(jì)人員，通常傾向于使用Dk值較低的PCB材料，因?yàn)檫@些材料的損耗要比Dk值較高的材料低。

實(shí)際上，PCB材料可以通過(guò)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(hào)功率，盡管通過(guò)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(duì)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(huì)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?cè)赑CB上占據(jù)了更大的面積，這對(duì)于小型化至關(guān)重要的設(shè)計(jì)可能是一個(gè)問(wèn)題。PCB基板的厚度，尤其是其銅導(dǎo)體層的厚度，也會(huì)影響傳輸線的阻抗，更薄的介電材料和導(dǎo)體會(huì)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(lái)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(huì)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(duì)于許多RF /微波電路至關(guān)重要，因此，將Dk控制在整個(gè)PCB的窄范圍內(nèi)并隨溫度變化，對(duì)于在設(shè)計(jì)中實(shí)現(xiàn)嚴(yán)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(gè)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(xì)信息，因?yàn)檫@也會(huì)影響傳輸線的阻抗。150 ppm /°C的TCDk值可能被認(rèn)為是高值，而30 ppm /°C或更低的TCDk值被認(rèn)為很低。對(duì)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(huì)影響Dk和阻抗外，它們還會(huì)對(duì)PCB產(chǎn)生機(jī)械影響。PCB的CTE是一個(gè)試圖顯示溫度對(duì)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(biāo)。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(zhǎng)期以來(lái)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(jī)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(duì)于任何商用PCB材料，通常會(huì)為所有三個(gè)軸（x，y和z）列出單獨(dú)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(guò)程中。例如，多層結(jié)構(gòu)中使用的材料的CTE值不匹配會(huì)導(dǎo)致可靠性問(wèn)題，因?yàn)椴煌娐穼拥某叽鐣?huì)隨溫度發(fā)生變化。通常認(rèn)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(qiáng)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(rèn)為是相當(dāng)堅(jiān)固的，并且應(yīng)能夠應(yīng)對(duì)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(jī)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(guò)介電材料形成的鍍通孔（PTH）的預(yù)期可靠性，因?yàn)檫@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(shí)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(jì)）的散熱是一項(xiàng)重要功能，其特征在于PCB的導(dǎo)熱性。盡管標(biāo)準(zhǔn)PCB材料的導(dǎo)熱系數(shù)可能為0.25 W / m / K，但通常會(huì)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?xì)浠衔?陶瓷PCB材料，長(zhǎng)期以來(lái)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(shí)z軸的Dk相對(duì)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(lái)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(shí)質(zhì)上是玻璃增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)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(qiáng)（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(jìn)行的權(quán)衡。

出色的電路性能通常要付出高昂的代價(jià)，盡管許多PCB材料供應(yīng)商已投入巨大的精力來(lái)開(kāi)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。