G高頻板件材料選擇與多層板設(shè)計(jì)要求PPT課件

1、目錄 1不同印制板材料的DK/Df性能檢測簡介 2高頻印制板材料的選擇原則 3高頻多層印制板設(shè)計(jì)加工要求 4高頻印制板加工需要的特殊工藝管控第1頁/共42頁 1.1用共振腔法評估了10M-10GHz下的Dk/Df：常規(guī)材料Tg140 FR-4 Dk較小變化穩(wěn)定；無填料板材較FR-4次之；有填料高Tg的Dk大變化較大；各種類型Df相似。實(shí)測常見FR-4 基材Dk/Df隨頻率變化：不同頻率DK有明顯變化1.實(shí)驗(yàn)檢測：Dk/Df評估第2頁/共42頁測試結(jié)果 1常規(guī)的FR-4板料在不同頻率時(shí)，DK波動較大，不滿足高頻信號的阻抗要求； 2無鹵材料在介電常數(shù)的穩(wěn)定性方面表現(xiàn)較好，可以滿足第要求的高頻信號要

2、求； 3高頻印制板材料的介質(zhì)損耗較常規(guī)印制板材料有大幅減少，滿足高頻信號放大要求；第3頁/共42頁 2.0 高頻印制板材料的綜合性能要求 介電性能方面： 該指標(biāo)是高頻料參數(shù)中影響射頻信號的關(guān)鍵因素 介質(zhì)損耗Df：0.008 是PCB基材介電性能的基礎(chǔ)標(biāo)桿。 耐熱及導(dǎo)熱性能： 常規(guī)Fr-4板材：Tg140-180；TD：310-330。 導(dǎo)熱系數(shù)：mK； 微波高頻材料： Tg170-350；TD：310-450 導(dǎo)熱系數(shù)：mK； 機(jī)械性能方面：主要需考究層壓變形、鉆孔、外形機(jī)加、除膠流程等。 生產(chǎn)成本方面：包括板材選擇 設(shè)計(jì)方案 表面處理 第4頁/共42頁高頻材選材評估原則：5G到來，高頻板料如

3、何選擇對高頻類PCB板基材的選擇、評估綜合考慮下述四點(diǎn)要求：第5頁/共42頁2.2 高頻材選材評估原則損耗（1） 損耗 隨著5G時(shí)代的到來：當(dāng)電路設(shè)計(jì)的頻段達(dá)到高頻毫米波頻段，預(yù)估和控制電路的損耗變得尤為重要。 對于高頻傳輸線及高頻電路，插入損耗主要包括： 介質(zhì)損耗、導(dǎo)體損耗、輻射損耗和泄露損耗幾個(gè)部分，是各種損耗成分的總和。 了解這些成分對于電路的設(shè)計(jì)是非常有幫助的。然而，高頻PCB材料一般具有較大的體電阻因此RF泄露損耗非常小，可以忽略。第6頁/共42頁2.2 高頻材選材評估原則損耗2（板材厚度選擇） 輻射損耗 在50Ohm阻抗下微帶線總的插入損耗隨電路工作頻率和厚度變化。為避免微帶線出現(xiàn)

4、不想要的模式（很大的輻射損耗），應(yīng)根據(jù)所選DK選擇厚度小于某值的板材。 以4350B為例，應(yīng)選用1/80自由空間波長以下的厚度，以達(dá)到可以忽略的輻射損耗。但是薄介質(zhì)由于線寬更窄，場強(qiáng)更高，會帶來更大的導(dǎo)體損耗。 銅箔的粗糙度對于導(dǎo)體損耗和等效介電常數(shù)的影響也更大，所以在追求更低損耗的應(yīng)用中應(yīng)選用更加光滑的銅箔。 這一點(diǎn)我們將在后文給予介紹。當(dāng)輻射損耗成為一個(gè)設(shè)計(jì)問題而不宜使用微帶線電路時(shí)，GCPW傳輸線可以有效的降低輻射損耗。 傳輸線的任何阻抗的失配通常都會伴隨一定的能量輻射。在射頻微波電路中阻抗失配是很常見的，這和電路的具體設(shè)計(jì)以及材料的Dk和厚度控制密切相關(guān)。 選擇Dk和厚度嚴(yán)格控制的材料

5、可以將因?yàn)椴牧先莶钭兓鸬氖浣抵磷钚?，從而減小輻射損耗。第7頁/共42頁2.2 高頻材選材評估原則損耗（2）圖1、DK 3.66, 1oz相同材料在不同厚度下微帶線插入損耗及各組成部分的對比第8頁/共42頁2.2 高頻材選材評估原則銅箔粗糙度（1） 通常在PCB基材加工過程中，銅箔表面會進(jìn)行糙化處理以改善其和PCB介電材料的結(jié)合力。但粗糙的銅箔表面會導(dǎo)致更高的導(dǎo)體損耗，且隨著頻率的升高導(dǎo)體損耗將顯著增加，這是由于電路的趨膚效應(yīng)導(dǎo)致的。一般來說，當(dāng)電路工作頻率對應(yīng)的趨膚深度小于或等于銅箔的表面粗糙度時(shí)，表面粗糙度的影響將變得非常顯著。在毫米波頻段，趨膚深度通常小于銅箔的表面粗糙度，如50GH

6、z時(shí)的趨膚深度為。 標(biāo)準(zhǔn)電解銅箔的表面粗糙度較高，所呈現(xiàn)的顆粒狀與輪廓更大和更深；而壓延銅的銅箔表面粗糙度很小，顆粒狀和輪廓非常??；而反轉(zhuǎn)處理銅箔介于兩者之間，。第9頁/共42頁2.2 高頻材選材評估原則銅箔粗糙度（2）圖2、1/2oz 厚度下不同銅箔表面粗糙度比較第10頁/共42頁2.2 高頻材選材評估原則表面處理（1） 電路加工過程的最終表面處理也會對電路的損耗帶來影響，尤其是在高頻毫米波頻段。不同表面處理工藝的會對PCB的損耗產(chǎn)生不同影響，對寬帶、高頻微波電路更加明顯。大部分PCB表面處理的導(dǎo)電性都比銅箔的導(dǎo)電性差。導(dǎo)電性越差產(chǎn)生的導(dǎo)體損耗越高，從而電路的插入損耗也越大。 對于高頻電路有

7、許多不同的表面處理工藝可供選擇，包括化學(xué)鎳金(ENIG)、有機(jī)保焊膜(OSP)、化學(xué)鎳鈀金(ENIPIG) 以及阻焊油墨等。例如，化學(xué)鎳金ENIG就是在PCB銅導(dǎo)體表面通過化學(xué)置換的方法先鍍上鎳，然后在鍍一層薄薄的金。通常ENIG 的鎳厚度是5um左右，金左右，金是非常好的良導(dǎo)體，但薄薄的一層金通常會在當(dāng)元件焊接到PCB傳輸線或?qū)Ь€上時(shí)，被吸收到焊接點(diǎn)而消失。 由于趨膚效應(yīng)，在高頻頻段時(shí)電流將沿著導(dǎo)體的表面?zhèn)鬏敚娏鲗⑼耆采w鎳層和金層。由于鎳的導(dǎo)電性比銅差，從而使用ENIG表面處理的電路會比使用裸銅的電路所表現(xiàn)的插入損耗大。RT/duriod6002材料是羅杰斯公司應(yīng)用于航空、衛(wèi)星等的高可靠

8、性材料，而RO3003產(chǎn)品是與之特性基本相同的商用級材料。通過在5mil RT/duriod 6002壓延銅的材料上使用不同的表面處理工藝制作的相同微帶電路，測試比較了插入損耗特性，如圖4?？梢钥吹剑珽NIG具有最高的插入損耗，而有機(jī)保焊膜、化學(xué)沉銀的插入損耗基本與裸銅相當(dāng)。第11頁/共42頁2.2 高頻材選材評估原則表面處理（2）基于1/2oz壓延銅5mil RT/duriod 6002(RO3003)材料不同表面處理工藝的插損比較第12頁/共42頁2.2 高頻材選材評估原則表面處理（3） 上表反應(yīng)了不同表面處理對信號影響： 由于化學(xué)沉銀的厚度僅為，OSP表面膜厚也為，與裸銅接近，對信號影響

9、最小。但是，此類表面處理均不能滿足印制板表面氧化問題，對印制板長期可靠性不利。 高要求客戶不能接受。 軍品微波高頻板件對印制板表面要求： 軍品微波高頻板基本采用鍍金表面處理工藝。鍍金工藝分為以下幾種： 1）化學(xué)鍍金：又稱化學(xué)沉鎳金；鎳厚3-5um，金厚；普遍用在焊接要求高，線路密度大的設(shè)計(jì)； 2）化學(xué)鍍厚金： 一種是鍍純金（金含量99.99%），金厚； 接地銅面一般選擇；打線面2um； 一種是鍍鎳金（金含量99.99%），金厚； 接地銅面一般選擇；打線面2um；鎳一般要求低硬度亞光性對打線有利。 3）鍍水金：此類工藝由于金厚薄，無具體指標(biāo)要求，近年基本被淘汰。第13頁/共42頁高頻材選材評估原

10、則表面處理（4） GJB362B對關(guān)于金的表面涂層厚度要求 金厚要求：不用于焊接的連接器插接區(qū)域； 焊接區(qū)域； 超聲打線結(jié)合區(qū)域； 熱壓打線結(jié)合區(qū)域； 化學(xué)沉金（浸金）：； 鎳厚要求：板邊連接器； 防止形成銅錫合金的阻擋層； 化學(xué)沉鎳：； 第14頁/共42頁2.2 高頻材選材評估原則熱處理（1） 熱管理 當(dāng)高頻/微波射頻信號饋入PCB電路時(shí)，因電路本身和電路材料引起的損耗將不可避免地產(chǎn)生一定的熱量。5G設(shè)備應(yīng)用中不僅使用頻率升高，設(shè)備也趨于小型化，勢必產(chǎn)生更大的熱量。處理好電路熱管理及理解PCB的熱特性有助于避免因高溫導(dǎo)致的電路性能惡化和可靠性降低。 熱模型 簡單的表示電路的基本熱模型及微帶線

11、的熱流剖面模型如圖5所示。在微帶線電路中，頂部信號平面是電路發(fā)熱源，底部接地平面是低溫區(qū)域或散熱平面，兩平面之間填充介質(zhì)材料。在熱模型中，熱量將從信號平面，通過材料轉(zhuǎn)移到接地平面低溫區(qū)域?qū)崿F(xiàn)散熱。雖然實(shí)際微帶線電路的熱量產(chǎn)生過程是復(fù)雜的，但對于簡單的熱模型，這樣的假設(shè)是可以接受的。圖中熱流方程中的k是材料的熱傳導(dǎo)系統(tǒng)，A是發(fā)熱源面積，L是材料厚度，(TH-TL)是上下面的溫差。熱流方程及熱模型解釋了選擇導(dǎo)熱系數(shù)高、厚度薄的電路材料可以實(shí)現(xiàn)更佳的散熱和熱量管理。第15頁/共42頁2.2 高頻材選材評估原則熱處理（2）圖5、電路的基本熱模型左）圖是基本的熱流模型，右）圖是微帶線電路的熱流剖面圖模型

12、第16頁/共42頁2.2 高頻材選材評估原則熱處理（3） 熱管理 設(shè)計(jì)者通常會從電路效率和損耗角度出發(fā)來評估溫度上升情況，但是PCB介質(zhì)作為熱源最近的導(dǎo)熱體卻是對溫升影響較大的部分。如圖6，我們通過仿真可以發(fā)現(xiàn)，在常用的板材中，通過降低板材的Df值來降低溫升的方法，沒有選用更高導(dǎo)熱率（TC）的方法有效。盡管在不同材料的介質(zhì)損耗會最終影響電路的插入損耗，導(dǎo)致產(chǎn)生不同的熱量，但相比較，材料的導(dǎo)熱系數(shù)對于溫度變化更為明顯。對于相同導(dǎo)熱系數(shù)值情況下，例如，介質(zhì)損耗Df從到引起的溫度上升僅約為0.22C/W。然而，即使Df同為的材料，導(dǎo)熱系數(shù)到的變化卻可引起溫度降低0.82C/W。如果電路的輸入功率是5

13、0W，那么溫度可降低約40C。第17頁/共42頁2.2 高頻材選材評估原則熱處理（4）圖6、仿真計(jì)算溫度上升隨Tc和Df的變化第18頁/共42頁2.2 高頻材選材評估原則熱處理（5） 除材料的導(dǎo)熱系數(shù)外，材料的其他的一些參數(shù)也對熱量管理產(chǎn)生影響。為更好的了解PCB電路熱性能相關(guān)的影響因素，表7展示了基于不同材料，不同材料厚度、損耗因子、導(dǎo)熱系數(shù)、銅箔粗糙度以及插入損耗的電路的溫度變化結(jié)果。該表為對比不同電路材料的熱效應(yīng)提供了參考。對比1號與2號電路，兩者的差異是電路的厚度，因此PCB材料厚度的變化會導(dǎo)致溫升的差異。厚度越薄，散熱路徑越短，相同條件下溫升越低；對比2號與3號電路，兩者的差異主要在

14、不同銅箔粗糙度帶來的插入損耗的不同。銅箔表面粗糙度越小，插入損耗越低，溫升越小；電路4材料是FR-4，該材料基本不用在微波/毫米波波段。作為例子可以看到FR-4在多個(gè)方面存在不足，如高的介質(zhì)損耗，導(dǎo)體損耗和較低的導(dǎo)熱率，從而在相同電路下具有最高的插入損耗，導(dǎo)致溫升顯著增加。電路5是基于羅杰斯RT/duroid6035HTC材料，該材料具有高達(dá)的導(dǎo)熱率，具有最好的導(dǎo)熱特性，同時(shí)具有非常低的損耗因子，插入損耗最低，在相同輸入功率下它的溫升最低，非常適合于高功率微波應(yīng)用。第19頁/共42頁2.2 高頻材選材評估原則熱處理（6）圖7、不同材料及厚度下熱量測試的對比因此，對電路的熱量管理要選擇相對薄的電

15、路材料，同時(shí)選擇高導(dǎo)熱率、銅箔表面光滑、低損耗因子等材料特性有利于降低微波毫米波頻段下電路的發(fā)熱情況。 第20頁/共42頁3.0 高頻材選材評估原則多層設(shè)計(jì)（1） 概述： 5G技術(shù)不僅要更小型化的基站設(shè)備，天線的尺寸也要小型化。同時(shí)，將有源電路與天線相結(jié)合的有源天線系統(tǒng)(AAS)將作為即將到來的5G網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分。小型化的設(shè)計(jì)以及有源天線系統(tǒng)都要求電路更多的應(yīng)用多層板的設(shè)計(jì)。第21頁/共42頁3.1 多層高頻印制板材選材評估原則（1）Z軸膨脹系數(shù) Z軸熱膨脹系數(shù) 通常用于高頻PCB板的熱塑性材料是聚四氟乙烯（PTFE），可通過各種形式的填料如玻璃纖維或陶瓷材料加固增強(qiáng)。相比熱固性材料，PT

16、FE的熱塑性材料通常有更好的電氣性能，具有較小的電氣損耗，但PTFE材料的Z軸熱膨脹系數(shù)（CTE）都比銅高不少。在制作多層板時(shí)，當(dāng)電路板經(jīng)過高溫時(shí)因材料與銅的熱膨脹系數(shù)不同而發(fā)生不同的膨脹導(dǎo)致PTH（Plated Through Hole）過孔的可靠性失效。 選擇低熱膨脹系數(shù)的材料對于高頻多層板應(yīng)用中過孔的可靠性重要性不言而喻。羅杰斯公司研究發(fā)現(xiàn)，在PTFE熱塑性材料中添加一些特殊的陶瓷填料可改善材料的熱膨脹系數(shù)。兼具PTFE材料本身具有的低的溫度特性和電氣特性，這種材料非常適合于高頻毫米波多層板的應(yīng)用。如羅杰斯公司的RO3000系列電路板材料，其Z軸的熱膨脹系數(shù)低至24ppm/C，僅需使用一

17、個(gè)簡單的等離子體處理工藝就可完成高可靠性過孔；且它具有極低的介質(zhì)損耗（RO3003的介質(zhì)損耗在10GHz時(shí)僅為），非常適合于高頻多層板的電路設(shè)計(jì)。第22頁/共42頁3.1 多層高頻印制板材選材評估原則（2）其它原則 材料選擇： 介電常數(shù)均可，介電常數(shù)的純陶瓷板不宜壓合。 粘接片需要采用對應(yīng)的高頻專用粘結(jié)片；必要時(shí)與印制板生產(chǎn)廠家溝通協(xié)調(diào)。 壓合材料滿足Z軸膨脹系數(shù)要求，必須選擇相同型號板料進(jìn)行壓合； 需要多次壓合時(shí)，必須選擇低膨脹系數(shù)材料，系數(shù)要求：X，Y方向小于20ppm/為佳；Z軸方向小于50 ppm/為佳 ；具體選擇可以選查閱材料膨脹系數(shù)； 選擇材料還有考慮材料本身表面絕緣強(qiáng)度以及粘結(jié)片

18、的體積絕緣強(qiáng)度：如板材TC350TM僅為7；粘結(jié)片RO3006TM僅為1X105 ； 原則上：存在8mil以下間距的線路或者層間介厚情況，設(shè)計(jì)均需要考慮絕緣強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)問題，以便生產(chǎn)廠家有效管控。 第23頁/共42頁3.2 不同類型多層板設(shè)計(jì)說明要求：3.2.1 混壓板： 材料選擇：一般選擇一定陶瓷含量的高頻材料與高Tg的Fr-4材料進(jìn)行混壓,高頻材料的介電常數(shù)一般。原因：特氟龍材料屬于熱塑性，壓合時(shí)熱脹冷縮系數(shù)非常大，不能與Fr-4材料匹配，會導(dǎo)致印制板嚴(yán)重翹曲。粘結(jié)片為常規(guī)FR-4即可。 疊層結(jié)構(gòu)說明：也可采用圖形標(biāo)注說明 標(biāo)注說明要求：1）各層介質(zhì)層厚度及銅厚，誤差范圍；2）射頻阻抗線的尺寸

19、及精度要求； 3）外形誤差；第24頁/共42頁3.2 不同類型多層板設(shè)計(jì)說明要求：3.2.2 混壓板： 混壓埋銅設(shè)計(jì)1：全埋 疊層結(jié)構(gòu)說明:（加圖） 標(biāo)注說明要求：1）各層介質(zhì)層厚度及銅厚，誤差范圍；2）射頻阻抗線的尺寸及精度要求； 3）外形誤差；第25頁/共42頁3.2 不同類型多層板設(shè)計(jì)說明要求：3.1 混壓板： 混壓埋銅設(shè)計(jì)2：半埋 疊層結(jié)構(gòu)說明： 標(biāo)注說明要求：1）各層介質(zhì)層厚度及銅厚，誤差范圍；2）射頻阻抗線的尺寸及精度要求； 3）外形誤差；第26頁/共42頁3.2 不同類型多層板疊層設(shè)計(jì)說明要求： 3.2.2 純壓板整體設(shè)計(jì)說明要求： 1）各層介質(zhì)層厚度及銅厚，誤差范圍； 2）射頻

20、阻抗線的尺寸及精度要求； 3）外形誤差； 4）層間對準(zhǔn)度誤差； 5）孔位誤差；第27頁/共42頁3.2 不同類型多層板設(shè)計(jì)說明要求： 3.2.3 純壓板壓合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求一次壓合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：6層8層第28頁/共42頁3.2 不同類型多層板設(shè)計(jì)說明要求： 純壓板 2次及以上壓合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：孔1，孔2為盲孔第29頁/共42頁3.2 多層板設(shè)計(jì)說明要求： 3.2.5 純壓板背鉆結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：孔1，孔2為背鉆孔8層盲孔純壓+背鉆結(jié)構(gòu)圖:背鉆界面介質(zhì)層厚度；第30頁/共42頁3.2 不同類型多層板設(shè)計(jì)說明要求： 純壓板 階梯焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)； 開蓋層與底層粘結(jié)片厚度要求以上；第31頁/共42頁3.3 其它參數(shù)設(shè)計(jì)要求

21、3.3.1 線寬間距 設(shè)計(jì)要求 高頻材料絕緣強(qiáng)度遠(yuǎn)低于Fr-4樹脂，要求最小線間距6mil（絕緣強(qiáng)度5M）； 阻抗高頻信號線寬要求：線路銅厚時(shí)，最小線寬6mil（線寬誤差10%） 線路銅厚時(shí)，最小線寬8mil（線寬誤差10%）3.3.2 內(nèi)層隔離環(huán)：要求14mil； 層孔到線：要求10mil；3.3.4 最小孔：DK3.0時(shí)；要求；且滿足板厚孔徑6:1； DK時(shí)；要求；且滿足板厚孔徑8:1； 第32頁/共42頁3.3 其它參數(shù)設(shè)計(jì)要求3.3.5 壓合粘結(jié)片厚度選擇要求：保證層間耐壓200V； 1）內(nèi)層銅厚時(shí)，且粘結(jié)2面均勻孤立線路，粘結(jié)片厚度4mil； 內(nèi)層銅厚時(shí)，且粘結(jié)1面均勻孤立線路，粘結(jié)片厚度3mil； 2）內(nèi)層銅厚時(shí)，且粘結(jié)2面均勻孤立線路，粘結(jié)片厚度3mil； 內(nèi)層銅厚時(shí)，且粘結(jié)1面均勻孤立線路，粘結(jié)片厚度2mil； 第33頁/共42頁4.1 來料的有效管控4.2 線路精度的保證4.3 特殊鉆孔要求4.4 印制板分層質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)警示4.5 線路結(jié)合力低質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)警示4、高頻印制板質(zhì)量管控要點(diǎn)及使用注意事項(xiàng)第34頁/共42頁4.1 高頻材料控制要點(diǎn):材料需要批次管理要求： 1）高頻板材供應(yīng)商每批次材料出貨報(bào)告必須包括： Dk/Df、介質(zhì)層厚度、基銅厚度、互調(diào)要求、基銅結(jié)合力、銅箔表面粗糙度等關(guān)鍵性能檢測指標(biāo)。 相應(yīng)指標(biāo)需要