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PCB資訊

PCB資訊 - 高頻射頻PCB選材的常用參數介紹

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PCB資訊 - 高頻射頻PCB選材的常用參數介紹

高頻射頻PCB選材的常用參數介紹
2020-08-31
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Author:ipcber      分享文章

隨著無線通訊和寬頻網路的發展,高頻PCB已不再簡簡單單是在一些絕緣的基材上面布上金屬導線,實現互聯。 在許許多多的情况下,基材和金屬導體已經成為功能元件的一部分。 尤其是在射頻應用中,元件與基材相互作用,從而,高頻PCB的設計和製造越來越對產品的功能產生至關重要的影響。

高頻PCB製造者也更多的介入與設計相關的東西,尤其是到高頻,高速訊號傳輸中更是如此。 同樣高頻PCB設計者也必須對高頻PCB制造技術有深入的瞭解,才能綜合生產出合格的,高性能的高頻PCB。


IPCB將介紹一些大家經常接觸的參數,由淺入深做一些科技探討,希望能夠加深設計與製造的溝通和交流。

1、介電常數

介電常數(Dk, ε, Er)决定了電信號在該介質中傳播的速度。 電信號傳播的速度與介電常數平方根成反比。 介電常數越低,訊號傳送速度越快。 我們作個形象的比喻,就好像你在海灘上跑步,水深淹沒了你的脚踝,水的粘度就是介電常數,水越粘,代表介電常數越高,你跑的也越慢。

高頻射頻PCB材的介電常數並不是非常容易量測或定義,它不僅與介質的本身特性有關,還與測試方法,測試頻率,測試前以及測試中的資料狀態有關。 介電常數也會隨溫度的變化而變化,有些特別的資料在開發中就考慮到溫度的因素。 濕度也是影響介電常數的一個重要因素,因為水的介電常數是70,很少的水分,會引起顯著的變化。

對於高速、高頻應用而言,最理想的資料是由銅箔包裹的空氣介質, 厚度允差在+/-0.00001 “。作為資料開發,大家都在朝這個方向努力,如雅龍Arlon專利開發的Foamclad非常適合基站天線的應用。但不是所有的高頻射頻線路設計都是介電常數越小越好,它往往根據一些實際的設計而定,一些要求體積很小的線路,常常需要高介電常數的資料,如雅龍Arlon的AR1000用在小型化線路設計。有些設計如 功放,常用介電常數2.55(如雅龍Arlon Diclad527,AD255等),或者介電常數3.5(如AD350,25N/FR等)。 也有採用4.5介電常數的,(如AD450)主要從FR-4設計改為高頻應用,而希望沿用以前設計。

介電常數除了直接影響訊號的傳送速率以外,還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裏尤為重要.如果出現阻抗不匹配的現象,阻抗不匹配也稱為VSWR(駐波比)。

CTEr:由於介電常數隨溫度變化,而高頻射頻PCB的微波應用的資料又常常在室外,甚至太空環境,所以CTEr(Coefficenc of Thermal of Er,介電常數隨溫度的變化係數)也是一個關鍵的參數。 一些陶瓷粉填充的PTFE聚四氟乙烯能够有非常好的特性,如CLTE。


2、損耗因數(Loss,loss tangent,Df,Dissipation factor)

除了介電常數,損耗因數是影響資料電力特性的重要參數。 介電損耗也稱損耗正切,損耗因數等,它是指訊號在介質中遺失,也可以說是能量的損耗。 這是因為高頻訊號(它們不停地在正負相位間變換)通過介質層時,介質中的分子試圖根據這些電磁訊號進行定向,雖然實際上,由於這些分子是交聯的,不能真正定向。 但頻率的變化,使得分子不停地運動,產生大量的熱,造成了能量的損耗。 而有些資料,如PTFE聚四氟乙烯的分子是非極性的,所以不會受電磁場的影響變化,損耗也就較小。 同樣,損耗因數也跟頻率和測試方法有關,一般規律是在頻率越高,損耗越大。

最直觀的例子是傳輸中電能的消耗。 如果電路設計損耗小。 電池壽命可以明顯增加。 在接收訊號時,採用的損耗的資料,天線對訊號的敏感度新增,訊號更清晰。

常用的FR4環氧樹脂(Dk4.5)極性相對較强,在1GHz下,損耗約0.025,而PTFE聚四氟乙烯基材(Dk2.17)在此條件下的損耗是0.0009。 石英填充的聚醯亞胺與玻璃填充的聚醯亞胺相比,不僅介電常數低,而且損耗也較低,,因為矽的含量較純。

PTFE聚四氟乙烯的分子結構非常對稱,C-F鍵結合緊密,無極性基團。 故隨電磁場變化而搖擺的可能性很小,表現在電力特性上就是損耗小。


3、導熱性

在許多微波領域,有較多是大功率的應用,資料的散熱特性能在很大方面影響整個系統的可靠性。 所以導熱係數也應當成為我們考慮的一個方面。 有些特別的高可靠高功耗應用,還可以採用金屬襯(鋁基或銅基)。


4、可製造性DFM

我們瞭解,PTFE聚四氟乙烯資料比較難於加工,尤其是孔金屬化,需要电浆或萘鈉處理,提高它的活性,而且PTFE聚四氟乙烯是熱塑性資料,多層板加工要求溫度較高。 現在也開發出了新的低損耗熱固性樹脂資料用於高頻線路,可以加工多層板,而無需电浆活化,如雅龍Arlon25N/FR。 現時大量用於LNA,PA和天線設計中。 吸潮性也是一個考慮因素,盡可能選用吸潮小的資料,電力特性更加穩定。


5、熱膨脹係數(CTE)

熱膨脹係數通常簡寫為CTE(Coeffecient Thermal Efficent),它是資料的重要熱機械特性之一。 指資料受熱的情况下膨脹的情况。 實際的資料膨脹是指體積變化,但由於基材的特性,我們往往分別考慮平面(X-,Y-)和垂直方向的膨脹(Z-)。

平面的熱膨脹常常可以通過增强層資料加以控制,(如玻璃布,石英,Thermount),而縱向的膨脹總是在玻璃轉化溫度以上難以控制。

平面的CTE對於安裝高密度的封裝至關重要,如果晶片(通常CTE在6-10ppm/C)安裝在常規高頻PCB上(CTE 18ppm/C),通過多次的熱迴圈以後,可能造成焊點受力過度老化。 而Z軸的CTE直接影響鍍孔的可靠性,尤其對於多層板而言。

通常PTFE聚四氟乙烯的CTE較大,用純的PTFE聚四氟乙烯製造多層板不太多見,常常採用陶瓷粉填充的PTFE聚四氟乙烯。 如雅龍Arlon公司的CLTE、LCCLTE等,最有代表性的應用是製造高達30層多層PCB用於全球通信衛星上。


6、無源交調(PIM)

在射頻的前端設計,如天線、濾波都對無源交調有所要求,這也與高頻PCB的基材相關。 有些公司採用特定的銅箔,使得無源交調保持在一定的範圍。 下錶給出沒有無源交調要求的高頻射頻PCB材和有特定要求的高頻射頻PCB材PIM的區別。

無源互調產生於原因

無源互調主要由無源非線性產生,而無源非線性通常有兩種類型:一類是金屬接觸引起的非線性,另一類是資料本身的固有非線性。 例如,同軸電纜和連接器通常被認為是線性的,但是在大功率情况下,其非線性效應顯示出來。 在電纜編織物的接觸、連接器的絲扣和其它金屬接頭中,輕微的非線性的確存在。 這些金屬接觸的每個表面都有金屬氧化形成的薄絕緣層,正是這種接觸非線性產生低電平無源互調干擾,這些干擾可使接收機的效能嚴重降低。


金屬接觸非線性產生的原因主要是連接處的鬆動和腐蝕,其伏安特性是一條曲線,具體的主要機理如下:

1)低劣的安裝工藝引起的非線性。

2)與金屬接觸處的大電流有關的非線性。

3)與金屬表面污垢、金屬粒子和碳化有關的非線性。

4)通過金屬結構中的砂眼和微狹縫的二次電子倍增效應。

5)穿過金屬接觸處薄氧化層(厚度小於50Ao)的電子隧道效應和電晶體行為。

6)由强電流引起的金屬接觸面相對運動的熱迴圈。線性和非線性沒有嚴格的界限,金屬接觸通常被認為是線性的,但在大功率情况下表現出非線性效應。


非線性效應不能完全消除,只能儘量設法减小,主要的减小措施有:

1)保持最小的熱迴圈,减小金屬材料的膨脹和壓縮產生的非線性接觸。

2)使金屬接觸的數量最小。 例如,使用扼流連接或其它電介質連接,提供足够的電流通道,保持所有的機械連接清潔、緊固。

3)在電流通道上盡可能避免使用調諧螺絲或金屬、金屬接觸的活動部件。 如果非用不可,應將它們放在低電流密度區域。

4)提高資料的連接工藝。 確保連接可靠,儘量做到無縫隙、無污染或無腐蝕。

5)導電通道上的電流密度應保持低值。 例如,接觸面積要大,導體塊要大。


由於無源互調問題的複雜性,很難建立大功率電路模型,因而無法使用非線性電路的某些分析方法,但是對金屬接觸非線性來說,可用的簡單系統表示,其中X和Y分別表示輸入和輸出信號(電流或電壓),通過單個傳遞函數類比整個金屬接觸非線性的產生過程,採用輸入輸出法分析, 具體的求解方法主要有幂級數法和伏特拉級數法。 由於幂級數法具有使用簡單、計算速度快、容易實現等優點。


高頻射頻PCB用的微波資料的選擇主要通過介電常數、損耗、熱膨脹係數、導熱性幾方面選擇低成本低損耗熱固性高介電常數陶瓷填充PTFE聚四氟乙烯。