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PCB資訊

PCB資訊 - 解析高頻電路材料和電路板的長期可靠性

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解析高頻電路材料和電路板的長期可靠性
2020-09-15
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Author:ipcber      分享文章

隨著複雜性和密度的逐漸提高,射頻電路組件/微波電路組件的長期可靠性變得更加難以表徵。 電路板包含許多有源和無源部件,其效能會隨時間和工作環境溫度等發生變化。 另外,電路板的基板材料如介質、銅箔導體、防焊油墨阻焊層以及最終鍍層等也會隨著時間發生改變,而且工作環境會對這個時間產生影響。 頻率較高時,隨著時間的變化可能會發生電效能的變化,如功率和效率損失。 無論是短期還是長期影響,這種影響均可能會產生。 電路材料和電路板效能的長期變化均是由於熱效應引起的,例如工作在高溫環境下。


短期暴露於高溫環境,如電路板組裝中回流焊的高溫,一般不會影響電路材料或電路板的電力效能。 但是,當溫度超過電路材料的相對熱指數(RTI)或電路板的最高工作溫度(MOT)時,就會影響到電力效能。 如果溫度高於電路材料的裂解溫度(Td),即使只是幾分鐘,也會引起電力效能的變化。 RTI是一個基於溫度測量確定的電路材料參數,表示電路材料在其一個或多個關鍵特性不發生降級的情况下承受的最高溫度。 MOT是一個經美國保險商實驗室(UL)認證的電路級參數,適用於整個電路板,包括介質和導體層。 這兩個參數屬同類參數,均用於訓示最高溫度,但是RTI是指電路材料的最高溫度,如層壓材料本身; 而MOT則適用於製成的完整的電路板板及將電路材料加工成電路板板後的最高工作溫度。 電路的MOT不會超過其基板的RTI,因為UL不會為高於其材料RTI的電路簽發MOT。


高頻電路電路板材料是由介質材料和銅箔作為導體構成,基於熱塑性或熱固性材料。 熱塑性材料通常是軟質的或撓性的,而熱固性材料則是更硬,剛性的。 熱塑性材料可加熱至熔化或回流溫度,但熱固性材料不能加熱至回流溫度。 在溫度足够高時,熱固性材料就會發生分解。


用於射頻/微波/毫米波電路板的熱塑料性材料通常是基於聚四氟乙烯(PTFE)的。 雖然其他材料也可單獨或與PTFE一起用作高頻電路基板,但是許多射頻/微波/毫米波電路板均以某種形式使用PTFE。 用於射頻/微波/毫米波電路板的熱固性材料,一般是基於良好的尺寸穩定性且有成本優勢的碳氫化合物樹脂或聚苯醚(PPE或PPO)聚合樹脂。


基於PTFE的熱塑性電路材料由於其穩定性,及長期使用和高溫環境下電力效能變化小備受好評。 與此相反,基於碳氫類或PPE的熱固性電路材料製成的電路會隨著時間和溫度變化,其電力效能會變化,且這種變化的大小將取決於具體的電路材料構成。

對於近乎純PTFE的電路材料,如羅傑斯公司的RT/duroid  5880電路板,其電力效能在長期使用和高溫(高於室溫或25℃)環境下表現非常穩定。 對於PTFE與其他材料結合以調整介電常數(Dk)或提供某種電路所需效能(如毫米波頻段)的材料,由於其他材料的不同,其效能隨時間和溫度的變化會變得不同。 例如,羅傑斯公司的RO3003  材料即是一種基於PTFE樹脂系統且含有陶瓷填料和其他添加劑的電路材料,用於汽車雷達和毫米波頻段的電路應用場景。 如圖1所示,它表現出與基於幾乎純PTFE的材料不同的老化特性。


圖1:RT/duroid 5880層壓板和RO3003層壓板介質的長期老化

圖1:RT/duroid 5880電路板和RO3003電路板介質的長期老化

如圖1所示,這兩種材料的熱老化特性均變化較小:Dk或相對介電常數( ε r)變化均小於1%。 最初兩種材料都會出現Dk降低,這與在150℃高溫條件下使材料變幹相關。 雖然這兩種材料都是低吸濕性的,但在微觀層面上它們在測試之前都會攜帶一些水分。 當高溫下祛除材料中的水分時,Dk就會降低。 RO3003電路板的PTFE配方要比RT/duroid 5880材料的更複雜,對高溫和烘乾作用也有不同的反應。 但是,對於150℃條件下的長期老化來說,這兩種材料不到1%的Dk變化被認為是非常穩健的。

與熱塑性材料相比,熱固性材料在長期高溫暴露下的Dk變化要更大一些。 但是,Dk變化量與熱固性材料的配方密切相關,且熱固性材料Dk變化的原因與熱塑性材料的有很大不同。


熱固性電路材料在高溫條件下的自然反應是氧化。 氧化在室溫條件下很慢,但在高溫條件下則會加速。 熱固性基材的氧化僅限於氧化滲透進材料的深度,在材料表面的反應會隨著更多的氧化物在表面堆積而發生變化,直到氧化過程停止為止。 對於熱固性材料來說,氧化過程的速度和氧化物滲透材料的深度將取決於材料的配方。 例如,有許多類型的抗氧化劑(AOs)可以包含在配方中以用於減緩氧化過程,根據材料配方的不同,一些抗氧化劑要比其他更有效。


圖2對兩種熱固性碳氫電路板進行了比較,其中一種的氧化性能較差,另一種則含有最有抗氧化AO成分,可最大限度地减小氧化效應及提供穩健的長期老化效能。 添加AO的好處可從Dk隨時間變化的穩定性看出。 圖2的數據是,由X波段固定式帶狀線諧振器測試方法所量測高溫條件下的Dk隨時間的變化。 測試材料完全暴露在環境中,所示數據是利用Arrhenius方程推測至更長時間的數據。 這一加速老化方法可對長期熱老化效應進行推算,且無需進行長時間的測試。 該測試數據將某碳氫類電路板與具有長期穩定的抗老化效能的材料—羅傑斯公司的RO4835  電路材料進行了比較。 RO4835材料傳承了RO4350B  電路板特性,具有完全相同的電力效能。 作為圖2中時間刻度的參攷,1.0E+05小時即等於11.4年。

對熱固性碳氫電路材料25℃的長期老化進行比較

▲圖2:對熱固性碳氫電路材料25℃的長期老化進行比較

該老化試驗的Dk測試是基於IPC-TM-650 2.5.5.5c定義的X波段固定式帶狀線諧振器測試方法以評估材料的Dk變化量。 測試頻率是10GHz,被測樣品需要全部蝕刻掉銅箔,僅保留介質材料。 當以電路形式對電路材料進行老化評估時,其老化效應是不同的,因為銅層可保護介質材料,預防氧化。 保護量則取決於圖3中所示的不同結構。

不同的RF結構

▲圖3:簡單的側視圖顯示為不同的RF結構,及氧化(黃色)如何滲透熱固性介質材料。

圖3中的描述近似顯示了在介質材料上是如何形成氧化的。 在裸露基板面上會形成氧化層,甚至一些氧化層會達到銅箔導體下麵。 換句話說,大部分的氧化都在材料表面,隨著氧化的梯度積累,會有少量氧化會進入表面下方,但這種表面下方的氧化會逐漸减少。

電路材料的Dk和Df會在存在氧化的情况下變大。 有幾個因素將决定氧化對電路材料的射頻/微波/毫米波電力效能的影響程度。 介質電路越薄將受到的影響將越大,這是因為氧化將在整個介質材料中占比更大。

根據電路中電磁(EM)場的不同,氧化對射頻/微波/毫米波電路不同結構的影響也不同。 例如,對於微帶線來說,大多數EM場均位於訊號導體底部與接地層頂部之間,以及訊號導體左右有很强的邊緣場,訊號會因為充分的氧化而發生變化。 雖然微帶線可能不會受到氧化的顯著影響,但是在高頻毫米波頻率時可以檢測到氧化帶來的影響。 較厚的微帶線電路的這一影響要小於較薄的微帶線電路。

從訊號導體的位置能明顯看出,帶狀線結構一般不受氧化的影響(圖3)。 然而,對於微帶線邊緣耦合電路,其耦合場位於電路基板表面以及約偏下方處並於氧化層相交,氧化會降低射頻/微波/毫米波效能。 當在毫米波頻率下,氧化對於薄基板上的接地共面波導(GCPW)電路的影響可能也是顯著的。


介質特性解密

在進行的材料老化過程和測試中,是通過X波段固定式帶狀線諧振器測試方法以確定介質材料的特性。 由於介質材料在老化期間是完全暴露在環境中的,所以介質材料的所有表面均被氧化,如圖3中所示。 也就是說,當將材料放入固定式帶狀線諧振器中形成帶狀線諧振時,介質的八個表面均會有氧化。 根據試驗材料的不同,需要在夾具中放置的材料數量也不同氧化也有所不同。 但是,與以電路形式的測試相比,該測量方法中材料的氧化要遠遠大的多。

為了防止氧化的影響,RO4835電路電路板是採用了最佳組合的AO添加劑配製而成。 除此之外,RO4835電路壓板還採用了與傳統RO4350B電路材料相同的配方,其中後者一直是高功率射頻/微波電路的可靠電路材料基板。 由於擁有最佳的AO添加劑組合,RO4835電路板需要比RO4350B電路板長達10倍時間才能達到相同氧化水准。

事實上,除了氧化差异以外,RO4350B電路板在大功率應用中表現出了良好的長期老化效能。 一般情况下,RO4350B電路板的長期老化問題均與具有耦合特性的電路有關,如定向耦合器。 為了更好地瞭解電路特徵在電路材料長期老化效能中的作用,將具有電路特徵的材料與以相同管道處理但不含銅(銅完全腐蝕掉、沒有電路特性)的相同介質材料進行比較。

本次比較採用了羅傑斯公司的RO4350B電路板和RO4350B LoPro  電路板的多種電路結構,電路包括50Ω微帶線電路、微帶線邊緣耦合帶通濾波器和微帶線階躍阻抗低通濾波器。 RO4350B LoPro電路板與公司的RO4350B電路板相同,僅是採用更為光滑的低輪廓銅箔以降低射頻/微波/毫米波頻率下的插入損耗。

RO4350B vs RO4350B LoPro

▲圖4:裸露介質材料(完全腐蝕)與20-mil RO4350B電路板(Std)和20-mil RO4350B LoPro電路板(LoPro)上的50Ω微帶線電路進行比較

圖4比較了RO4350B vs RO4350B LoPro兩種電路材料的多個長期老化效應。 Dk隨時間變化最大的就是完全蝕刻掉銅箔的材料樣本(標識為完全腐蝕),即裸露的介質材料。 該裸露材料上沒有電路,是在+50°C條件下的X波段固定式帶狀線諧振器夾具中測試其特徵。 而以50Ω微帶線進行試驗的電路,其不同溫度條件下電路表徵出來的Dk變化就小得多。

在高溫下,利用傳輸線電路對長期老化進行評估的樣本,發現需要更長的時間(10~100倍)才能達到與完全蝕刻掉銅箔的樣本的相同的氧化水准。 圖4中也顯示了各種不同溫度下的樣品的的氧化和Dk變化量。 如果測試電路是在相同材料上製作的,但厚度不同,那麼氧化影響也可能不同。


利用低通階躍阻抗濾波器研究老化影響與傳輸線電路的樣本類似。 微帶線邊緣耦合帶通濾波器的樣本受氧化影響約大。 要達到與完全蝕刻掉銅箔的(裸露介質)樣本相同的氧化水准,仍需要3~5倍的時間。 緊耦合電路受到的氧化影響要比松耦合電路大。 另外,測試溫度不同其氧化時間跨度也不同,在最高溫度條件下,由於氧化導致的電路材料Dk的差异則最大。

防焊油墨、帕利靈塗層和防潮絕緣膠等應用於電路中,可以降低熱固性氧化影響。 防焊油墨可顯著降低老化影響,但通常也會降低射頻效能。 當厚度為25 μ m或以上應用時,帕利靈塗層也有助於將長期老化的氧化影響降至最低水准。 HumiSeal也有助於最大限度地减少氧化影響,雖然有很多類型可以選擇,但是有些類型在降低老化影響方面更有效一些。


電路材料在加工期間會短時間暴露於高溫下,而在使用過程中會長期暴露在高溫中。 長期高溫的影響通常被認為是電路板熱固性介質材料上的氧化積累,這可能導致電路材料Dk的偏移。 確定電路材料對長期老化影響的敏感程度需要進行精確和仔細的測試,因為在描述高頻電路材料時,不同的測量方法和科技會得出截然不同的量測結果。 選擇正確的測試方法,無論是基於材料還是基於電路的測試,均可在Dk和電路建模時提供可靠的數據。