PCB資訊 - 高頻射頻PCB選材的常用參數介紹

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。