微波射频用PCB选材[1]

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1、微波射频用印制板的选材Arlon-med 李海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，

2、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, ，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

3、型材料的介电常数(在1Mhz下)：真空10纯PTFE21GY PTFE 222.3GX-PTFE2.55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6.0-10.2Foamclad (Arlon 专利)1151.3水700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/0.00001”。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非常适合基站天线的应用。但

4、不是所有的设计都是介电常数越小越好,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

5、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.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

6、,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

7、硅的含量较纯. 下图为PTFE 的分子结构图,我们可以看到,它的结构非常对称,C-F键结合紧密,无极性基团.故随电磁场变化而摇摆的可能性很小,表现在电气特性上就是损耗小.CCCCCCFFFFFFFFFFFFn3. 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

8、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.4导热性在许多微波领域,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.

9、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/mkPTFE/玻璃布Diclad, Cuclad 0.26PTFE/陶瓷粉,玻璃布CLTE0.5AR10000.65AD350i0.45陶瓷粉填充热固型材料25N/FR0.45导热材料99N1.2FR-40.24-0.265.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,

10、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.标准产品结果PIM产品结果DiClad 880-135 dbcDiClad 880 PIM-156 dbcAD250-139 dbcAD250-PIM-157 dbcAD300-136 dbcAD300-PIM-156 dbc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

11、.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PTFECTEr稳定的陶瓷填充PTFE低成本商用PTFEArlon Arlon 25NAR-1000DiClad 880CLTE-LCAR-320Dk (10 GHz)3.38102.172.983.2v (1010 cm/sec)1.630.952.031.741.68Df0.00250.003.00090.00250.003导热系数W/m-oK0.40.650.30.250.3CTEr ppm/oC-25-233-160Nil-100CTE (ppm/oC)15-1814-1625-3517-189-12主要应用LNBs, 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,滤波器参考文献: 1.Chet Guiles , Everything you want to know about Microwave, but afraid to ask 2.Chet Guiles, Vince weise , Lamiante basic 3. Ron Kirby , Microwave material selection联系方式:021-62090202helenalihaiwww.arlon-