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PCB資訊

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高頻PCB線路板的關鍵材料
2022-09-23
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印刷電路板(PCB的電路材料是RF /微波電路的關鍵構建塊-本質上是這些電路的起點。PCB材料有許多不同的形式,並且材料的選擇在很大程度上取決於預期應用的要求。例如,當進入軍事環境的極端情況時,在商用無線產品中可靠地支援高頻電路的材料可能會迅速失效。對PCB材料類型及其參數的基本瞭解可以説明將材料與應用程式匹配。

與許多射頻/微波元件一樣,PCB材料通過許多關鍵參數進行分類和比較,包括相對介電常數(Dkεr),耗散因數(Df),熱膨脹係數(CTE),介電質熱係數常數(TCDk)和熱導率。當對不同的PCB材料進行分類時,許多電路設計人員從Dk開始。PCB材料的Dk值是指與在真空中的同一對導體相比,在該材料上製造的一對非常接近的導體之間可用的電容或能量。

真空產生的參考值為1.0,其他介電材料則提供更高的參考值。例如,商業PCB材料的Dk值通常在大約210的範圍內,具體取決於它們的測量方式和測試頻率。具有較高Dk值的材料上的導體可以比具有較低Dk值的材料上的導體存儲更多的能量。

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PCB材料的Dk值會影響在該材料上製造的傳輸線的尺寸,波長和特性阻抗。例如,對於給定的特性阻抗和波長,在Dk值高的PCB材料上製造的傳輸線的尺寸將比在Dk值低的PCB材料上製造的傳輸線的尺寸小得多,儘管其他材料參數可能不同的。面對損耗是關鍵性能參數的電路的設計人員,通常傾向於使用Dk值較低的PCB材料,因為這些材料的損耗要比Dk值較高的材料低。

實際上,PCB材料可以通過介電損耗,導體損耗,洩漏損耗和輻射損耗四種方式失去信號功率,儘管通過選擇PCB材料可以更好地控制介電損耗和導體損耗。例如,Df參數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。

對於給定的傳輸線阻抗(例如50Ω),低Dk材料上的傳輸線在物理上會比高Dk材料上的傳輸線寬,而較寬傳輸線的導體損耗也較小。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化為更高的製造良率(並節省生產成本)。但是,權衡取捨的是,它們在PCB上佔據了更大的面積,這對於小型化至關重要的設計可能是一個問題。PCB基板的厚度,尤其是其銅導體層的厚度,也會影響傳輸線的阻抗,更薄的介電材料和導體會產生更窄的導體寬度,以保持所需的特性阻抗。

PCB材料的導體通常以銅的重量來指定,例如1盎司。(厚35微米)銅或2盎司。(厚度為70μm)銅。這些銅導體的品質也會影響導體損耗。具有粗糙表面的銅導體將比具有光滑表面輪廓的銅導體表現出更高的導體損耗。

維持傳輸線的阻抗對於許多RF /微波電路至關重要,因此,將Dk控制在整個PCB的窄範圍內並隨溫度變化,對於在設計中實現嚴格的阻抗至關重要。大多數PCB資料表都顯示了材料的Dk及其Dk公差,例如±0.5

另一個重要的材料參數TCDk提供了有關PCB材料的Dk在工作溫度範圍內變化多少的詳細資訊,因為這也會影響傳輸線的阻抗。150 ppm /°CTCDk值可能被認為是高值,而30 ppm /°C或更低的TCDk值被認為很低。對於必須在較寬的工作溫度範圍內保持阻抗的電路,最好使用TCDk值較低的PCB材料。

除了溫度變化會影響Dk和阻抗外,它們還會對PCB產生機械影響。PCBCTE是一個試圖顯示溫度對PCB材料的影響的參數。本質上,它是材料隨溫度的膨脹/收縮的量度,而較低的值是目標。例如,儘管純PTFE具有較高的CTE(約300 ppm /°C),但由於其優異的電特性,諸如聚四氟乙烯(PTFE)之類的材料長期以來一直用於高頻PCB

一些PCB材料製造商(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(見照片)。值得關注的是,PCB介電材料的CTE應該與其導體和其他層的CTE緊密匹配,以使溫度變化的機械影響最小化。

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這種陶瓷填充的PTFE複合材料RT / duroid 6035HTC具有高導熱性,可用于大功率電路應用

對於任何商用PCB材料,通常會為所有三個軸(xyz)列出單獨的CTE值。CTE提供了一些有關PCB材料如何處理極端溫度的證據,例如在焊接過程中。例如,多層結構中使用的材料的CTE值不匹配會導致可靠性問題,因為不同電路層的尺寸會隨溫度發生變化。通常認為具有較低CTE值的PCB材料比具有較高CTE值的材料具有更強的熱穩定性。就在寬溫度範圍內的使用而言,CTE70 ppm /°C的電路材料被認為是相當堅固的,並且應能夠應對電路製造和裝配的極端溫度。

PCB材料的CTE應該在xy軸上與銅的CTE緊密匹配,以最大程度地降低機械應力隨溫度的變化。另外,電路材料z軸上的CTE可以洞悉將通過介電材料形成的鍍通孔(PTH)的預期可靠性,因為這些鑽孔均鍍有銅。理想地,電介質材料和銅將以類似的方式隨著溫度而膨脹和收縮,以實現PTH的高可靠性。 

射頻/微波電路(特別是用於大功率設計)的散熱是一項重要功能,其特徵在於PCB的導熱性。儘管標準PCB材料的導熱係數可能為0.25 W / m / K,但通常會在PCB材料中添加填充劑,以將導熱係數提高到更有利的值(以及更好的散熱能力)。例如,RO4350B是羅傑斯公司的碳氫化合物/陶瓷PCB材料,長期以來一直是包括汽車和蜂窩通信系統在內的高頻應用的可靠構建基塊材料。

RO4350B並非基於PTFE,但在10 GHzz軸的Dk相對較低,為3.48±0.05TCDk+50 pm /°C,耗散係數為0.0037。它具有0.69 W / m / K的合理良好的導熱率。相反,同樣來自羅傑斯公司的RT / duroid 6035HTC是一種陶瓷填充的PTFE複合材料,專門為高功率,高頻電路而配製,Dk3.50±0.05TCDk+50 ppm /°C ,並具有0.0013的低損耗因數。它具有出色的導熱性,典型值為1.44W / m / K

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從低成本的FR-4材料到昂貴的基於PTFE的材料,用於射頻/微波PCB的材料種類繁多。由FR-4材料組成的電路板實質上是玻璃增強環氧樹脂的層壓板,而PTFE材料通常由玻璃纖維或陶瓷填充材料增強(儘管也使用純PTFEPCB)。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行的權衡。

出色的電路性能通常要付出高昂的代價,儘管許多PCB材料供應商已投入巨大的精力來開發各種Dk值不同的複合材料,以用於各種RF /微波應用。