高頻微波技術 - 高頻電路板基材的種類和特點

根據高頻電路板基材的種類和特點，可分為樹脂改性高頻電路板基材及玻璃纖維改性高頻電路板基材。以下為愛彼電路介紹的在PCB設計中高頻電路板基材選擇。

樹脂改性高頻電路板基材

通常的改性方法有：新增支鏈數，增大基材的自由體積，降低極性基團的濃度。 環氧樹脂中加入雙鍵結構，使樹脂分子不易旋轉。 或引入佔有空間體積較大的基團或高分子非極性樹脂等方法，降低極性基團的含量，提高其介電效能。

1、聚苯醚改性環氧樹脂

使用改性聚苯醚對環氧樹脂進行改性，聚苯醚（PPO）分子結構中含有重複的苯環與醚鍵，且具有對稱結構，在大分子中沒有强極性基團，電力絕緣性能優良， ε r只有2.45 PPO摻混改性環氧體系，提高改性環氧覆銅板的介電效能，達到降低 ε r和tan δ 的目的。

2、氰酸酯改性環氧樹脂

環氧樹脂在固化反應過程中，可在交聯點間生成含有OH等極性基團，它們對介質的 ε r和tan δ 均有强烈影響。 降低交聯點間極性基團的濃度，可以降低tan δ。 在不减少環氧樹脂體系交聯密度的前提下，降低體系中OH的含量。 在樹脂體系中加入氰酸酯，可降低樹脂固化體系中OH的濃度，提高了體系固化物的玻璃化轉變溫度，這也是PCB基板所需要的。

3、聚四氟乙烯樹脂

聚四氟乙烯（PTFE）是一種超高分子量的聚合物，其分子結構為四個完全對稱的取向氟原子中心連接一個碳原子，Dk只有2.0（1MHz），加上C-F鍵的鍵能很高，其耐熱性好。 具有優良的電力效能、耐化學腐蝕、耐熱、吸水性低。

在PTFE和玻璃纖維布組成的複合材料中，其Dk隨PTFE樹脂重量百分數的新增而减少。 Df隨樹脂含量新增顯著减少。 

高頻率範圍內Dk、Df變化小，非常適用於作為高速數位化和高頻的基材。

玻璃纖維改性高頻電路板基材

玻纖增强基材是複合材料中力學强度的主要承擔者，一般來說其介電常數高於樹脂基體，又在複合材料中佔有較高的體積含量，囙此是决定複合材料介電效能的主要因素。

現時，世界各國生產玻璃纖維織物組成大體相同，其基礎成分都是SiO2、Al2O3、CaO三元系統。 常溫下構成玻璃網絡的矽氧或硼氧、鋁氧骨架無弱聯系離子幾乎不導電。 但是網絡中充填了鹼金屬離子時，點陣結構在鹼金屬離子處中斷，產生熱離子極化。 這是影響玻璃介電效能的主要因素。

現時通常採用的是無堿玻纖E玻纖，其介電常數為7.2（1 MHz），不能滿足高頻電路的要求。 採用的辦法是混雜，除了E玻纖外，還有介電效能優秀的D玻纖（Dk＝4.7，1 MHz）和Q玻纖（Dk＝3.9，1 MHz），但是它們加工效能和成本較高，單獨使用並不合適。 通過對不同品種的玻纖進行合理的選配，要求既保證優良的低介電效能、加工效能，又能很好地解决工業化生產的成本問題。

調整PCB介質布層提高基板的介電效能

除了對基板本身基材的改性外，還可以通過改進基板整體結構，調整多層介質的分佈，改善其介電效能。 合理調整多層介質的分佈，可以在减小成本的前提下提高基板的介電效能。

常用的四層混合介質布層方法

其中，外層是Low Dk和Low Df的高頻介質。 這種結構可以很好的控制阻抗，訊號損失約為FR4的10%，訊號傳播速度比FR-快10%，可以使總成本降低25%。

四層混合介質帶狀線布層，多用於數位電路。 這種結構除了上圖結構的優點外，還具有串音和電磁干擾更低的優點。 另外還可以在PCB電路板的製造過程中控制阻抗，所以可以精確控制傳輸線的寬度，控制阻抗。 但這種結構通常只適用於具有更好的抗雜訊能力的數位電路，可以承受一定的阻抗不連續。

常用的混合介質布層方法

部分高頻電路基材

高頻基材的性能比較：

各種PCB常用基材的介電特性：PTFE＞CE基板（熱固性氰酸脂樹脂）＞PPO基板（熱固性聚苯醚樹脂）＞BT＞PI＞改性EP＞EP。

各種PCB常用基材的訊號傳送速率：PTFE＞CE＞PPO＞改性EP＞BT＞PI＞EP。

PTFE具有優良的電效能和良好的化學穩定性，是最適用於微波通信和高速數位處理的高頻基材之一。

高頻電路板基材選擇

PCB設計的高頻電路板基材選擇

建議在PCB設計中，設計者選取板材考慮如下關鍵因素：

1、工作在1GHz以下的PCB電路板可以選用FR4，成本低、多層壓制板工藝成熟。

2、工作在622Mb/s以上的光纖通信產品和1G以上3GHz以下的，可以選用改性環氧樹脂基材，由於其介電常數比較穩定、成本較低、多層壓制板工藝與FR4相同。 以便於製作多層板且板材成本略高於FR4（高4分/cm2左右）。

3、3GHz以下的大訊號微波電路如功率放大器和低雜訊放大器建議選用類似RO4350B板材，RO4350B介電常數相當穩定、損耗因數較低、耐熱特性好、加工工藝與FR4相當。 其板材成本略高於FR4（高6分/cm2左右）。

4、10GHz以上的微波電路如功率放大器、低雜訊放大器、上下變頻器等對板材要求更高，建議選用效能類似PTFE（美國/歐洲等多用）的板材，或FR4和高頻板組合粘接組成低成本、高性能層壓板。

常用高頻高速資料特性

高頻電路板基材的製造需重點考究特性阻抗的高精度控制、不同測量方法間的Df值偏差。 不同測量方法對Dk影響很小，但Df的量測系統誤差很大。高頻電路板的製造需要對於機械加工做管控，比如高頻基板的層壓加工效能、鑽孔加工特性、除膠特定要求等。