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高頻微波技術

高頻微波技術 - 如何選擇適合的RF高頻板材?

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高頻微波技術 - 如何選擇適合的RF高頻板材?

如何選擇適合的RF高頻板材?
2019-09-02
View:2003
Author:PCB      分享文章

PCB高頻電路板材料通過不斷的對原材料精心調配,從而實現高頻板最佳的電力和機械效能。 多年以來,很多不同的配方組合被開發用於製作RF高頻板材料。 通過這些努力,各種電路板材料應運而生,以適應應用範圍更廣的高頻應用和更高的效能要求。


PTFE PK FR-4,高質OR低價的選擇

對於RF高頻板的用戶來說,最熟悉的RF高頻板材料莫過於聚四氟乙烯,也就是我們耳熟能詳的PTFE。 這是一種由碳和氟人工合成的熱塑性含氟聚合物。 它具有高分子量和低摩擦係數,通常用這種材料來形成“不粘”表面,這也是其廣泛應用的主要原因。 PTFE的介電常數(Dk)為2.1,在微波頻率具有優异的介電效能。


PTFE作為微波RF高頻板的“構造單元”材料已經有很長時間了。 為了滿足高頻電路設計工程師的不同需求,它與其它原材料混合可以實現改變其電力和機械效能的目的。 例如,在PTFE的電路材料加入增强的玻璃布可改善其機械穩定性。 加入的玻璃布材料將提高電路板材料的介電常數值,而且還能减少材料的膨脹效能(材料膨脹係數是溫度的函數),從而更好地匹配電路材料與其表面銅導體的熱膨脹係數(CTE)。 PTFE的高頻板同樣還可以使用陶瓷填料來獲取更高介電常數值和微調材料其它内容,比如CTE值。


過去一段時間內,選擇高頻,薄膜電路的高頻板材料幾乎是電路設計工程師“非此即彼”的决定:用更低製造成本的FR-4電路材料或用更高效能(意味更高成本)的PTFE高頻板(在高頻情况下用氧化鋁陶瓷基板厚膜電路)。 FR-4實際通常指的是基於玻璃布纖維增強的阻燃環氧樹脂的一系列電路材料。 這種材料受福斯歡迎歸功於它的低成本,和易於電路加工的特性,但它在較高頻率(通常約高於500MHz)下其電效能會嚴重惡化。 囙此很多電路設計工程師總結了一個自己的“截止頻點”,低於這個頻率就使用FR-4,反之高於這個截止頻率就要使用PTFE的RF高頻板。


雖然PTFE已經被大家廣泛接受,並在高頻電路應用中久負盛名,但是PTFE材料僅僅是當前可用的眾多高頻RF高頻板“成員”之一,還有其它熱塑性材料,例如聚苯醚(PPE),聚苯醚(PPO)環氧樹脂; 以及具有陶瓷填料的碳氫化合物熱固性材料。 一些高頻和高速應用已經鼓勵開發其它更具特色的RF高頻板材料,例如用於柔性電路的液晶聚合物(LCP)材料和用於極高工作溫度(大約+200°C)的聚醚醚酮(PEEK)熱塑性材料。 事實上,對於應用於微波頻率的電路,電路板材料的可選種類似乎隨著科技的提高而不斷增加,但新的材料改進主要針對印刷電路板(PCB)的一些關鍵特性,包括介電常數(Dk),損耗因數(Df),熱膨脹係數(CTE),介電常數熱穩定係數(TCDk),熱導率,吸水性和長期老化特性等。

RF高頻板

RF高頻板

RF高頻板材料的組成成分比較

這些不同的高頻材料的組成成分有什麼區別呢? 首先,值得注意的是,並不是所有的PTFE材料組成成分都是相同的。 早期PTFE的高頻板材料都是通過玻璃布增强來降低PTFE固有的熱膨脹係數(CTE)。 PTFE的RF高頻板的效能進一步改進是在材料混合物中添加微纖維玻璃,如羅傑斯公司的RT/duroid 5880PTFE玻璃纖維電路板。 再者,通過添加特殊陶瓷材料作為填充料,又進一步改進了PTFE的高頻板效能。 它不但改變了原有的介電常數(Dk),而且還改變了材料的某些其它性質,以便其在製造PCB時更容易加工。


如羅傑斯公司的RT/duroid 6002PTFE陶瓷電路板材料,它是PTFE材料,但是它不含玻璃布纖維。 通過添加特殊的陶瓷填料,這種PTFE材料的介電常數新增到了2.94,並具有高度一致性(在±0.04以內),同時還具有低Df(0.0012)和其Z軸方向CTE值非常接近銅的膨脹係數的特性,囙此過孔可靠性更好。 事實上,將陶瓷填料添加到PTFE的材料的過程中,可以進行“微調”材料最終介電常數值,這就使得這種PTFE的RF高頻板可以配製出許多不同的介電常數值。


通過實驗,發現陶瓷填料也可用於微調除PTFE之外的電路材料的介電常數值,例如羅傑斯公司的TMM系列的熱固性碳氫化合物高頻板材料。 通過添加不同數量和類型的陶瓷填充料,TMM高頻板可以獲得從3至13的介電常數值。 儘管這種樹脂材料比PTFE的電路高頻板更容易加工,但由於沒有玻璃布增强,也會給電路加工帶來一些其它方面的問題。 為了克服這些挑戰,羅傑斯公司推出了RO4350B電路板材料,這種材料也是基於陶瓷填料的碳氫化合物樹脂,但它同時使用玻璃布增强。 所以RO4350B碳氫化合物陶瓷材料具有很好的CTE和溫度穩定性,同時還保持與碳氫(非PTFE)電路高頻板相同的PCB易加工特性。


很多最新材料配方包括熱固性碳氫化合物PPE和PPO的RF高頻板,通常用玻璃布增强以改善其機械穩定性。 正如前面提到的,這種材料具有獨特的優點,例如更容易加工和改善的長期老化特性。 但是與基於PTFE的材料和陶瓷填充碳氫化合物高頻板材料相比較,這些新材料的介電常數(Dk)值較低,並且介電損耗(Df)會隨著頻率的升高而急劇增加。


通過對不同配方的RF高頻板材料進行抽樣,大概可以總結出一些材料選擇的差异。 例如,材料是否添加玻璃布,是否有添加特殊陶瓷填料。 在PTFE材料中添加特殊陶瓷填料有助於改善CTE和Dk兩個參數的效能; 陶瓷填料的添加還能使PTFE的RF高頻板的Dk值達到較大範圍(大約從3到10之間)。 沒有陶瓷填充料,PTFE能實現更好的損耗特性(低Df),但是與陶瓷填充的材料相比,具有較差的CTE和Dk效能。 一般情况下,具有較高Dk值的PTFERF高頻板將表現出較高的Df值,並且隨著Dk新增而各向異性更大。


用玻璃布增强的陶瓷填充的碳氫化合物RF高頻板通常比PTFE材料具有更好的CTE,Dk和熱導率,但比PTFE的材料有更高的Df(意味更大的損耗)。 PPE和PPO的線路材料通常比PTFE的線路有更高的Df值,與碳氫化合物材料在10GHz或更小的頻率下的Df值大致相同。 PPE和PPO電路板材料的具有一些特殊效能,如出色的長期老化特性,但它們比其它類型的高頻RF高頻板具有更高的吸水性。


對於RF設計工程師來說,現在RF高頻板的選擇比以往任何時候都更多,每一種都有其自身的優缺點。 對於明確特定的應用需求後,通常可以加快和簡化選擇過程。