【無(wú)線射頻工藝】-為毫米波及高多層板電路選擇合適材料

1/1如何為毫米波及高多層板電路選擇合適材料毫米波（mmWave）頻段的設(shè)計(jì)應(yīng)用一度被認(rèn)為是"不切實(shí)際'，或者在大家印象中是只有"方'才能用得起的高大上的技術(shù)。但是，近年來(lái)隨著第五代新型（5GNR）無(wú)線網(wǎng)絡(luò)和77GHz汽車(chē)?yán)走_(dá)的普及，毫米波應(yīng)用也漸漸變得越來(lái)越普遍，毫米波頻率信號(hào)完全可以通過(guò)高集成的印刷電路板（PCB）來(lái)進(jìn)行傳輸。這種類(lèi)型的PCB通常會(huì)采納多層結(jié)構(gòu)，并且可以同時(shí)處理不同類(lèi)型的信號(hào)，包括模擬、數(shù)字、RF和毫米波信號(hào)。毫米波電路設(shè)計(jì)工程師面臨的主要問(wèn)題是"集成化'和"小型化'，他們?cè)噲D將盡可能多的功能設(shè)計(jì)到最小的PCB中。但是不同的電路功能對(duì)線路板材料的要求不盡相同，例如在毫米波頻率下，能供應(yīng)最佳性能的線路板材料可能不是電源電路最有用的解決方案。

通常，對(duì)于具有多種電路功能的多層PCB，最有用的解決方案是通過(guò)三種或三種以上不同線路板材料組成的多層PCB來(lái)實(shí)現(xiàn)電路的全部功能。在選擇線路板材料時(shí)，需要充分考慮它們的特性，盡可能地選擇最佳的線路板材料，以便更好地匹配每種電路所需要實(shí)現(xiàn)的功能，例如：功率電路、高速數(shù)字、低頻射頻、微波以及高頻毫米波電路等。在選擇線路板材料時(shí)，首先考慮的通常是材料的電氣參數(shù)，如：介電常數(shù)（Dk）和損耗因數(shù)（Df）或損耗角正切。其次，也需要依據(jù)電路的功能和層數(shù)，充分考慮線路板材料的機(jī)械特性。由于線路板材料的厚度等機(jī)械性能會(huì)影響傳輸線的尺寸和傳輸線之間的間距，從而影響多層板中高速數(shù)字、高頻微波與毫米波電路的性能。第三，在設(shè)計(jì)和生產(chǎn)多層電路時(shí)，還必需考慮如何將這些不同的層壓板組合互連起來(lái)。無(wú)論選擇什么樣的材料，包括線路板材料和粘接材料，都需要考慮好怎樣更簡(jiǎn)單，更便利的將這些材料加工組合成為一個(gè)整體。

微波電路工程師首先要了解線路板材料的特性對(duì)不同電路的性能會(huì)產(chǎn)生什么樣的影響，才能更合理的將微帶線、帶狀線和接地共面波導(dǎo)（GCPW）傳輸線等高頻傳輸線與FR-4等低成本線路板材料相結(jié)合，組成多層板電路。但是，隨著頻率的增加，線路板材料的電氣參數(shù)隨頻率的變化也需要考慮。如Dk和Df隨著頻率的增加，將對(duì)傳輸線的性能產(chǎn)生巨大的影響，如影響雷達(dá)脈沖的同步或調(diào)制通信信號(hào)的完整性等。

線路板材料的機(jī)械特性，例如厚度和厚度的全都性，在射頻微波頻率下可能并沒(méi)有那么重要。但是，隨著信號(hào)頻率攀升至毫米波范圍，這些機(jī)械特性都會(huì)對(duì)電路性能產(chǎn)生影響。因此，在選擇毫米波頻率的線路板材料時(shí)，必需充分考慮這些因素的影響。在這么小的波長(zhǎng)下，線路板材料表面導(dǎo)體的粗糙度也會(huì)影響電路性能，并導(dǎo)致相位響應(yīng)和插入損耗的差異。

同樣，對(duì)于高速數(shù)字電路，也必需充分考慮選擇適合的線路板材料來(lái)設(shè)計(jì)傳輸線，這樣才能滿意傳輸線的良好匹配（通常為50?或100?差分）、阻抗全都性以及傳播特性，避開(kāi)不必要的信號(hào)延遲和信號(hào)失真。而且必需在全部節(jié)點(diǎn)（包括PCB層之間）保持阻抗全都性，這就要求微孔的加工生產(chǎn)工藝具備高度的全都性。某些線路板材料的成分，特殊是在毫米波頻率下，可能更適合現(xiàn)代微加工技術(shù)（例如激光鉆孔），以形成傳輸線互連所需的微孔。對(duì)高速數(shù)字電路和毫米波電路而言，保證微型通孔的距離最短，同時(shí)做到多層PCB層與層之間的精確對(duì)準(zhǔn)，可以實(shí)現(xiàn)最低的損耗和最高的牢靠性，即使在不同線路板材料之間進(jìn)行互連時(shí)也是如此。為了實(shí)現(xiàn)并保持良好的層間對(duì)準(zhǔn)以及層間的高牢靠性微孔，需要具有優(yōu)異機(jī)械穩(wěn)定性的線路板材料。

解決方案選擇

一般來(lái)說(shuō)，自動(dòng)駕駛汽車(chē)中的雷達(dá)系統(tǒng)和5G無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)的毫米波電路的多功能多層印制電路板，都可以依據(jù)某些已經(jīng)大規(guī)模商業(yè)應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)和制造?，F(xiàn)在的主流設(shè)計(jì)方案是采納更多層和更薄的電路，以適應(yīng)小尺寸和輕重量的要求。實(shí)際這種需求在用毫米波電路中較為常見(jiàn)，需要滿意尺寸（Size）、重量（Weight）和功率（Power）的要求（統(tǒng)稱為SWaP）。對(duì)于商用毫米波電路，其它需要考慮的設(shè)計(jì)指標(biāo)還包括：更高的密度、在更小的電路上實(shí)現(xiàn)更多的功能、良好的溫度穩(wěn)定性、低吸濕性以及在苛刻工作環(huán)境中保持正常運(yùn)行。因此，用于高速數(shù)字電路和毫米波電路的線路板材料通常在寬溫度范圍內(nèi)需滿意低Dk、低Df和穩(wěn)定的Dk、穩(wěn)定的Df。

隨著越來(lái)越多的毫米波電路采納多層PCB板，它們對(duì)線路板材料的需求也在不斷增加，這些材料不僅要滿意高頻/高速電路的電氣性能需求，而且還要滿意多層電路的機(jī)械要求。這種多層PCB板通常是由線路層壓板和粘結(jié)片（粘結(jié)材料）組成，從而實(shí)現(xiàn)將各層結(jié)合在一起的目的。對(duì)于更高頻率的應(yīng)用，例如，羅杰斯公司（RogersCorp.）的RO3003線路板材料在毫米波頻率實(shí)現(xiàn)了低損耗電路的特性。這種基于低Dk陶瓷填料的PTFE線路層壓板在10GHz時(shí)的z軸（厚度方向）的Dk為3.00，在10GHz時(shí)的Df為0.0010；其厚度從0.005英寸（0.13毫米）到0.060英寸（1.52毫米）范圍可選。

RO3003材料已被廣泛用于77GHz的單層電路，并具有牢靠的尺寸穩(wěn)定性和溫度特性，它用于多層PCB結(jié)構(gòu)上表現(xiàn)出的性能也是非常牢靠的。該材料在x和y軸上的熱膨脹系數(shù)（CTE）與銅相同，約為17ppm/C，可以實(shí)現(xiàn)多層PCB組件中的高尺寸穩(wěn)定性。z軸CTE為25ppm/C的特性為需要層與層之間設(shè)計(jì)微孔時(shí)，實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定牢靠的電鍍通孔（PTH）。另外，它還具有0.04%的低吸濕性，適用于不同潮濕的工作環(huán)境。

線路層壓板銅箔表面的光滑度在較高的頻率下尤其重要，因此羅杰斯公司（RogersCorp.）設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了RO3003G2線路板材料。它是在原有的RO3003層壓板基礎(chǔ)上優(yōu)化了填料，降低了的介質(zhì)的孔隙率和銅箔表面粗糙度。RO3003G2與RO3003具有幾乎相同的介質(zhì)Dk和Df值，但RO3003G2采納了更光滑的銅箔，因此在毫米波頻率下的損耗更小一些。同時(shí)，RO3003G2繼承了RO3003層壓板在x-y平面上良好的熱膨脹系數(shù)（CTE）性能，而且優(yōu)化的填料系統(tǒng)使Z軸CTE值（18ppm/C）更接近銅，具有特別牢靠的金屬化過(guò)孔（PTH）性能。材料厚度為0.005英寸（0.13毫米）和0.010英寸（0.25毫米）可選。

當(dāng)需要考慮機(jī)械穩(wěn)定性以及更薄的線路板材料時(shí),例如在尺寸和重量都必需最小化的多層PCB中，CLTE-MW線路板材料正可以滿意電路所需要的性能需求。CLTE-MW材料采納開(kāi)纖玻璃結(jié)構(gòu)和低Dk陶瓷填料系統(tǒng)，具有優(yōu)異的尺寸穩(wěn)定性。它的厚度從0.003英寸（0.076毫米）到0.010英寸（0.25毫米）不等，可以滿意不同信號(hào)的接地間距要求，同時(shí)還能最大程度地減小多層電路組件的尺寸和重量。對(duì)于不同的厚度，CLTE-MW材料在10GHz時(shí)Z軸上Dk值范圍為2.94至3.02。同時(shí)其具有良好的CTE性能和PTH牢靠性，吸濕性也特別低，僅為0.03%，可以適應(yīng)各種具有挑戰(zhàn)性的工作環(huán)境。

粘結(jié)材料和半固化片材料的作用不僅僅是將多層PCB電路中各層固定在一起，而且它們還會(huì)成為PCB的一部分。因此，需要依據(jù)其電氣和機(jī)械性能以及粘結(jié)性能來(lái)選擇。以羅杰斯公司的2929粘結(jié)材料為例，在加工多層PCB時(shí)，它可以同時(shí)兼容平壓和高壓粘結(jié)兩種方法。2929粘結(jié)材料也可供應(yīng)不同的厚度。其在10GHz時(shí)Z軸上的Dk值為2.94，同時(shí)具有0.003的低Df值，低Z軸膨脹系數(shù)可以確保電鍍通孔的牢靠性，并且能與含PTFE的線路板材料兼容，用于多層PCB板的堅(jiān)固粘結(jié)。

羅杰斯公司的SpeedWave300P是一款完全符合RoHS標(biāo)準(zhǔn)的、可全程無(wú)鉛裝配的半固化片材料，它可以用于FR-4和含PTFE線路板材料（如CLTE-MW層壓板）的加工工藝。這種半固化片材料具有3.0至3.3（取決于厚度）的低Dk和0.0019至0.0022的低Df值，具有良好的流淌性