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毫米波及高多层板如何选择合适材料
2022-01-12
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毫米波频段的设计应用一度被认为是不切实际,或者在大家印象中是只有军方才能用得起的高大上的技术。但是,近年来随着第五代新型(5G NR)无线网络和77 GHz汽车雷达的普及,毫米波应用也逐渐变得越来越普遍,毫米波频率信号完全可以通过高集成的印刷电路板来进行传输。这种类型的PCB通常会采用多层结构,并且可以同时处理不同类型的信号,包括模拟、数字、RF和毫米波信号。毫米波电路设计工程师面临的主要问题是集成化和小型化, 他们试图将尽可能多的功能设计到最小的PCB中。但是不同的电路功能对PCB线路板材料的要求不尽相同,例如在毫米波频率下,能提供最佳性能的线路板材料可能不是电源电路最实用的解决方案。

通常,对于具有多种电路功能的多层PCB,最实用的解决方案是通过三种或三种以上不同线路板材料组成的多层PCB来实现电路的全部功能。在选择线路板材料时,需要充分考虑它们的特性,尽可能地选择最佳的线路板材料,以便更好地匹配每种电路所需要实现的功能,例如:功率电路、高速数字、低频射频、微波以及高频毫米波电路等。

在选择线路板材料时,首先考虑的通常是材料的电气参数,如:介电常数(Dk)和损耗因数(Df)或损耗角正切。其次,也需要根据电路的功能和层数,充分考虑线路板材料的机械特性。因为线路板材料的厚度等机械性能会影响传输线的尺寸和传输线之间的间距,从而影响多层板中高速数字、高频微波与毫米波电路的性能。

第三,在设计和生产多层电路时,还必须考虑如何将这些不同的层压板组合互连起来。无论选择什么样的材料,包括线路板材料和粘接材料,都需要考虑好怎样更容易,更方便的将这些材料加工组合成为一个整体。

首先要了解线路板材料的特性对不同电路的性能会产生什么样的影响,才能更合理的将微带线、带状线和接地共面波导传输线等高频传输线与FR-4等低成本线路板材料相结合,组成多层板电路。但是,随着频率的增加,线路板材料的电气参数随频率的变化也需要考虑。如Dk和Df随着频率的增加,将对传输线的性能产生巨大的影响,如影响雷达脉冲的同步或调制通信信号的完整性等。

线路板材料的机械特性,例如厚度和厚度的一致性,在射频微波频率下可能并没有那么重要。但是,随着信号频率攀升至毫米波范围,这些机械特性都会对电路性能产生影响。因此,在选择毫米波频率的线路板材料时,必须充分考虑这些因素的影响。在这么小的波长下,线路板材料表面导体的粗糙度也会影响电路性能,并导致相位响应和插入损耗的差异。

对于高速数字电路,也必须充分考虑选择适合的线路板材料来设计传输线,这样才能满足传输线的良好匹配(通常为50Ω或100Ω差分)、阻抗一致性以及传播特性,避免不必要的信号延迟和信号失真。而且必须在所有节点(包括PCB层之间)保持阻抗一致性,这就要求微孔的加工生产工艺具备高度的一致性。某些线路板材料的成分,特别是在毫米波频率下,可能更适合现代微加工技术(例如激光钻孔),以形成传输线互连所需的微孔。对高速数字电路和毫米波电路而言,保证微型通孔的距离最短,同时做到多层PCB层与层之间的精确对准,可以实现最低的损耗和最高的可靠性,即使在不同线路板材料之间进行互连时也是如此。为了实现并保持良好的层间对准以及层间的高可靠性微孔,需要具有优异机械稳定性的线路板材料。

自动驾驶汽车中的雷达系统和5G无线通信网络的毫米波电路的多功能多层印制电路板,都可以根据某些已经大规模商业应用的标准来进行设计和制造。现在的主流设计方案是采用更多层和更薄的电路,以适应小尺寸和轻重量的要求。实际这种需求在军用毫米波电路中较为常见,需要满足尺寸、重量和功率的要求。


对于商用毫米波电路,其它需要考虑的设计指标还包括:更高的密度、在更小的电路上实现更多的功能、良好的温度稳定性、低吸湿性以及在苛刻工作环境中保持正常运行。因此,用于高速数字电路和毫米波电路的线路板材料通常在宽温度范围内需满足低Dk、低Df和稳定的Dk、稳定的Df。随着越来越多的毫米波电路采用多层PCB板,它们对线路板材料的需求也在不断增加,这些材料不仅要满足高频/高速电路的电气性能需求,而且还要满足多层电路的机械要求。这种多层PCB板通常是由线路层压板和粘结片(粘结材料)组成,从而实现将各层结合在一起的目的。爱彼电路(iPcb®)是专业高精密PCB电路板研发生产厂家,可批量生产4-46层pcb板,电路板,线路板,高频板,高速板,HDI板,pcb线路板,高频高速板,双面,多层线路板,hdi电路板,混压电路板,高频电路板,软硬结合板等

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