高頻電路板選材及無(wú)源互調(diào)

隨著無(wú)線通信和寬帶網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，高頻電路板不再是簡(jiǎn)單地在一些絕緣基板上鋪設(shè)金屬導(dǎo)線來(lái)實(shí)現(xiàn)互連。 在許多情況下，基板和金屬導(dǎo)體已成為功能組件的一部分。 特別是在射頻應(yīng)用中，元器件與基板相互作用，因此高頻電路板的設(shè)計(jì)與制造對(duì)產(chǎn)品的功能影響越來(lái)越大。 如圖1所示，高頻電路板/微波板的典型部分，其上的導(dǎo)體都是元器件。

高頻線路板

我們高頻電路板廠家也更多的是涉及到設(shè)計(jì)相關(guān)的東西，尤其是高頻高速信號(hào)傳輸方面。 同樣，設(shè)計(jì)人員必須對(duì)高頻電路板的制造工藝有深刻的理解，才能全面生產(chǎn)出合格、高性能的高頻電路板。

從本期開(kāi)始，我們將介紹一些人們經(jīng)常接觸到的參數(shù)，做一些由淺入深的技術(shù)探討，希望能加深設(shè)計(jì)與制造之間的溝通與交流。

1.介電常數(shù)

介電常數(shù)（Dk，ε，Er）決定了電信號(hào)在介質(zhì)中傳播的速度。 電信號(hào)傳播的速度與介電常數(shù)的平方根成反比。 介電常數(shù)越低，信號(hào)傳輸越快。 我們打個(gè)形象的比方，就像你在沙灘上跑步，水深沒(méi)過(guò)你的腳踝。 水的粘度就是介電常數(shù)。 水越粘稠，介電常數(shù)越高，跑得越慢。

高頻射頻電路板的介電常數(shù)不易測(cè)量或定義。 它不僅與介質(zhì)本身的特性有關(guān)，還與試驗(yàn)方法、試驗(yàn)頻率、試驗(yàn)前和試驗(yàn)中的物質(zhì)狀態(tài)有關(guān)。 介電常數(shù)也會(huì)隨著溫度的變化而變化，一些特殊材料在開(kāi)發(fā)時(shí)會(huì)考慮溫度因素。 濕度也是影響介電常數(shù)的一個(gè)重要因素，因?yàn)樗慕殡姵?shù)是70，很少的水就會(huì)引起明顯的變化。

以下是一些典型材料的介電常數(shù)（在 1Mhz 時(shí)）：

可見(jiàn)對(duì)于高速高頻應(yīng)用，最理想的材料是用銅箔包裹的空氣介質(zhì)，厚度公差為+/- 0.00001”。作為材料開(kāi)發(fā)，大家都在朝這個(gè)方向努力。對(duì)于 例如Arlon專利的Foamclad就非常適合基站天線的應(yīng)用，但是并不是所有的高頻射頻線都設(shè)計(jì)成介電常數(shù)較小的，這往往是基于一些實(shí)際設(shè)計(jì)的。 體積往往需要高介電常數(shù)的材料，例如Arlon AR1000用于小型化線路設(shè)計(jì)，部分設(shè)計(jì)如下： 功率放大器，常用介電常數(shù)2.55（如Arlon DIClad 527、AD255等），或電介質(zhì) 常數(shù)3.5（如AD350、25N/FR等），也有采用4.5介電常數(shù)的（如AD450），主要是從FR-4設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)向高頻應(yīng)用，希望繼續(xù) 調(diào)整以前的設(shè)計(jì)。

介電常數(shù)除了直接影響信號(hào)的傳輸速度外，還在很大程度上決定了特性阻抗。 在不同的部分，特性阻抗匹配在微波通信中尤為重要。 如果出現(xiàn)阻抗不匹配，阻抗不匹配也稱為VSWR（駐波比）。

CTEr：由于介電常數(shù)隨溫度變化，而高頻線路板微波應(yīng)用所用材料往往在戶外，甚至太空環(huán)境中，因此CTEr（Coefficient of Thermal of Er）也是一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)。 一些陶瓷粉末填充的聚四氟乙烯聚四氟乙烯可以具有非常好的特性，例如CLTE。

2. 損失，損耗角正切，Df，耗散因數(shù)

除介電常數(shù)外，損耗因子是影響材料電性能的重要參數(shù)。 介質(zhì)損耗也稱為損耗角正切、損耗因數(shù)等，是指介質(zhì)中信號(hào)的損耗，或稱能量損耗。 這是因?yàn)楫?dāng)高頻信號(hào)（它們?cè)谡?fù)相位之間不斷變化）通過(guò)介電層時(shí)，介質(zhì)中的分子試圖根據(jù)這些電磁信號(hào)進(jìn)行定向，盡管實(shí)際上，因?yàn)檫@些分子是交聯(lián)的， 他們無(wú)法真正定位。 然而，頻率的變化使分子不斷運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生大量熱量，造成能量損失。 但有些材料，如PTFE聚四氟乙烯，是非極性的，所以不會(huì)受到電磁場(chǎng)的影響，所以損耗小。 同樣，損耗因子也與頻率和測(cè)試方法有關(guān)。 一般規(guī)則是頻率越高，損失越大。

最直觀的例子就是電能在傳輸中的消耗。 如果電路設(shè)計(jì)損耗小。 電池壽命可以顯著增加。 在接收信號(hào)時(shí)，天線對(duì)信號(hào)更加敏感，使用有損材料，信號(hào)更加清晰。

常用的FR4環(huán)氧樹(shù)脂（Dk4.5）極性比較強(qiáng)。 在1GHz時(shí)，損耗約為0.025，而PTFE聚四氟乙烯基材（Dk2.17）的損耗為0.0009。 與玻璃填充聚酰亞胺相比，石英填充聚酰亞胺不僅介電常數(shù)低，而且損耗低，因?yàn)楣韬考儭?/p>

3.導(dǎo)熱性

在很多微波領(lǐng)域，都有很多大功率的應(yīng)用。 材料的散熱特性可以極大地影響整個(gè)系統(tǒng)的可靠性。 因此，還應(yīng)考慮導(dǎo)熱系數(shù)。 對(duì)于一些特殊的高可靠性和高功耗應(yīng)用，也可以使用金屬襯里（鋁基或銅基）。

4. 可制造性

我們了解到PTFE聚四氟乙烯加工難度大，尤其是孔金屬化，需要等離子或萘鈉處理來(lái)提高其活性。 而且PTFE聚四氟乙烯是熱塑性材料，多層板的加工溫度高。 現(xiàn)在，已經(jīng)開(kāi)發(fā)出用于高頻電路的新型低損耗熱固性樹(shù)脂材料，可以加工無(wú)需等離子活化的多層電路板，如Arlon 25N/FR。 目前廣泛應(yīng)用于LNA、PA和天線設(shè)計(jì)中。 吸濕性也是一個(gè)考慮因素。 應(yīng)盡量選用吸濕性小的材料，使電氣特性更穩(wěn)定。

5.熱膨脹系數(shù)（CTE）

高頻電路板的熱膨脹系數(shù)通常簡(jiǎn)稱為CTE（CoefficientThermal Efficient），是材料重要的熱力學(xué)性能之一。 它是指材料受熱膨脹。 實(shí)際的材料膨脹指的是體積變化，但由于基材的特性，我們往往分別考慮平面（X-，Y-）和垂直方向（Z-）的膨脹。

平面熱膨脹往往可以通過(guò)增強(qiáng)層材料（如玻璃布、石英、Thermomount）來(lái)控制，而縱向膨脹在玻璃化轉(zhuǎn)變溫度以上總是難以控制。

平面 CTE 對(duì)于安裝高密度封裝非常重要。 如果將芯片（通常CTE為6-10ppm/C）安裝在常規(guī)PCB高頻板（CTE 18ppm/C）上，經(jīng)過(guò)多次熱循環(huán)后，可能會(huì)導(dǎo)致焊點(diǎn)在應(yīng)力作用下過(guò)度老化。 Z軸的CTE直接影響電鍍孔的可靠性，尤其是多層板。

一般PTFE聚四氟乙烯的CTE比較大。 很少用純PTFE聚四氟乙烯來(lái)做多層板。 常用陶瓷粉填充的聚四氟乙烯聚四氟乙烯。

它用于全球通信衛(wèi)星。

6.無(wú)源互調(diào)（PIM）

射頻中高頻電路板的前端設(shè)計(jì)，如天線、濾波器等，需要無(wú)源互調(diào)，這也與高頻電路板的基材有關(guān)。 一些公司使用特定的銅箔將無(wú)源互調(diào)保持在一定范圍內(nèi)。 下表為無(wú)無(wú)源互調(diào)要求的高頻電路板板材與有特定要求的高頻電路板板材PIM的區(qū)別。

無(wú)源互調(diào)原因

無(wú)源互調(diào)主要由無(wú)源非線性產(chǎn)生，通常有兩種：一種是金屬接觸引起的非線性，另一種是材料本身固有的非線性。 例如，同軸電纜和連接器通常被認(rèn)為是線性的，但在大功率的情況下會(huì)表現(xiàn)出非線性效應(yīng)。 電纜編織層的接觸、連接器的螺紋和其他金屬接頭確實(shí)存在輕微的非線性。 這些金屬觸點(diǎn)的每個(gè)表面都有一層由金屬氧化形成的薄絕緣層。 正是這種接觸非線性會(huì)產(chǎn)生低電平無(wú)源互調(diào)干擾，從而嚴(yán)重降低接收器的性能。

金屬接觸非線性的原因主要是接頭松動(dòng)和腐蝕。 它的伏安特性是一條曲線。 具體主要機(jī)制如下：

(1)安裝工藝不良造成的非線性；

(2)與金屬接觸處大電流相關(guān)的非線性；

(3)與金屬表面污垢、金屬顆粒和碳化有關(guān)的非線性；

(4)通過(guò)金屬結(jié)構(gòu)中的砂孔和微縫進(jìn)行二次電子倍增效應(yīng)；

(5)金屬接觸處通過(guò)薄氧化層（厚度小于50Ao）的電子隧道效應(yīng)和半導(dǎo)體行為；

(6)強(qiáng)電流引起的金屬接觸面相對(duì)運(yùn)動(dòng)的熱循環(huán)。

線性和非線性之間沒(méi)有嚴(yán)格的限制。 金屬接觸通常被認(rèn)為是線性的，但在高功率下表現(xiàn)出非線性效應(yīng)。

非線性效應(yīng)無(wú)法完全消除，只能盡可能減小。 

主要減排措施有：

(1)保持最小的熱循環(huán)，減少金屬材料膨脹壓縮引起的非線性接觸。

(2)盡量減少金屬觸點(diǎn)的數(shù)量。 例如，使用扼流圈連接或其他電介質(zhì)連接來(lái)提供足夠的電流通道，以保持所有機(jī)械連接清潔和緊密。

(3)盡量避免在電流通道上使用調(diào)諧螺絲或金屬或金屬接觸運(yùn)動(dòng)部件。 如有必要，應(yīng)將它們放置在低電流密度區(qū)域。

(4)改進(jìn)材料的連接工藝。 確保連接可靠，盡量無(wú)間隙、無(wú)污染、無(wú)腐蝕。

(5)導(dǎo)電通道上的電流密度應(yīng)保持較低。 比如接觸面積要大，導(dǎo)體塊要大。

由于無(wú)源互調(diào)問(wèn)題的復(fù)雜性，難以建立大功率電路模型，因此一些非線性電路的分析方法無(wú)法使用。 然而，對(duì)于金屬接觸非線性，它可以用一個(gè)簡(jiǎn)單的系統(tǒng)來(lái)表示。通過(guò)單個(gè)傳遞函數(shù)模擬整個(gè)金屬接觸非線性的產(chǎn)生過(guò)程，采用輸入輸出法進(jìn)行分析，具體求解方法主要有冪級(jí)數(shù)法和Volterra級(jí)數(shù)法。 由于冪級(jí)數(shù)法具有使用簡(jiǎn)單、計(jì)算速度快、易于實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)，本文采用該方法。

概括

高頻電路板微波材料的選擇主要取決于介電常數(shù)、損耗、熱膨脹系數(shù)和導(dǎo)熱系數(shù)。

低成本、低損耗、熱固性、高介電常數(shù)陶瓷填充 PTFE 聚四氟乙烯、低介電常數(shù)、低損耗、PTFE 聚四氟乙烯、CTER 穩(wěn)定陶瓷填充 PTFE、低成本、商用 PTFE 聚四氟乙烯。 PCB制造商、PCB設(shè)計(jì)師和PCBA加工商將講解高頻PCB材料的選擇和無(wú)源互調(diào)。