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微波高频

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高频PCB线路板的关键材料
2021-03-04
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印刷电路板(PCB)的电路材料是RF /微波电路的关键构建块-本质上是这些电路的起点。PCB材料有许多不同的形式,并且材料的选择在很大程度上取决于预期应用的要求。例如,当进入军事环境的极端情况时,在商用无线产品中可靠地支持高频电路的材料可能会迅速失效。对PCB材料类型及其参数的基本了解可以帮助将材料与应用程序匹配。

与许多射频/微波组件一样,PCB材料通过许多关键参数进行分类和比较,包括相对介电常数(Dk或εr),耗散因数(Df),热膨胀系数(CTE),介电质热系数常数(TCDk)和热导率。当对不同的PCB材料进行分类时,许多电路设计人员从Dk开始。PCB材料的Dk值是指与在真空中的同一对导体相比,在该材料上制造的一对非常接近的导体之间可用的电容或能量。

真空产生的参考值为1.0,其他介电材料则提供更高的参考值。例如,商业PCB材料的Dk值通常在大约2到10的范围内,具体取决于它们的测量方式和测试频率。具有较高Dk值的材料上的导体可以比具有较低Dk值的材料上的导体存储更多的能量。

印刷电路板(PCB)

PCB材料的Dk值会影响在该材料上制造的传输线的尺寸,波长和特性阻抗。例如,对于给定的特性阻抗和波长,在Dk值高的PCB材料上制造的传输线的尺寸将比在Dk值低的PCB材料上制造的传输线的尺寸小得多,尽管其他材料参数可能不同的。面对损耗是关键性能参数的电路的设计人员,通常倾向于使用Dk值较低的PCB材料,因为这些材料的损耗要比Dk值较高的材料低。

实际上,PCB材料可以通过介电损耗,导体损耗,泄漏损耗和辐射损耗四种方式失去信号功率,尽管通过选择PCB材料可以更好地控制介电损耗和导体损耗。例如,Df参数提供了一种比较不同材料的介电损耗的方法,其中较低的Df值表示具有较低介电损耗的材料。

对于给定的传输线阻抗(例如50Ω),低Dk材料上的传输线在物理上会比高Dk材料上的传输线宽,而较宽传输线的导体损耗也较小。与较高Dk材料的较窄传输线相比,这些较宽的传输线还可以转化为更高的制造良率(并节省生产成本)。但是,权衡取舍的是,它们在PCB上占据了更大的面积,这对于小型化至关重要的设计可能是一个问题。PCB基板的厚度,尤其是其铜导体层的厚度,也会影响传输线的阻抗,更薄的介电材料和导体会产生更窄的导体宽度,以保持所需的特性阻抗。

PCB材料的导体通常以铜的重量来指定,例如1盎司。(厚35微米)铜或2盎司。(厚度为70μm)铜。这些铜导体的质量也会影响导体损耗。具有粗糙表面的铜导体将比具有光滑表面轮廓的铜导体表现出更高的导体损耗。

维持传输线的阻抗对于许多RF /微波电路至关重要,因此,将Dk控制在整个PCB的窄范围内并随温度变化,对于在设计中实现严格的阻抗至关重要。大多数PCB数据表都显示了材料的Dk及其Dk公差,例如±0.5。

另一个重要的材料参数TCDk提供了有关PCB材料的Dk在工作温度范围内变化多少的详细信息,因为这也会影响传输线的阻抗。150 ppm /°C的TCDk值可能被认为是高值,而30 ppm /°C或更低的TCDk值被认为很低。对于必须在较宽的工作温度范围内保持阻抗的电路,最好使用TCDk值较低的PCB材料。

除了温度变化会影响Dk和阻抗外,它们还会对PCB产生机械影响。PCB的CTE是一个试图显示温度对PCB材料的影响的参数。本质上,它是材料随温度的膨胀/收缩的量度,而较低的值是目标。例如,尽管纯PTFE具有较高的CTE(约300 ppm /°C),但由于其优异的电特性,诸如聚四氟乙烯(PTFE)之类的材料长期以来一直用于高频PCB。

一些PCB材料制造商(例如在其材料中使用PTFE,但添加了不同的填充材料以降低CTE值(见照片)。值得关注的是,PCB介电材料的CTE应该与其导体和其他层的CTE紧密匹配,以使温度变化的机械影响最小化。

PTFE复合材料RT / duroid 6035HTC

这种陶瓷填充的PTFE复合材料RT / duroid 6035HTC具有高导热性,可用于大功率电路应用

对于任何商用PCB材料,通常会为所有三个轴(x,y和z)列出单独的CTE值。CTE提供了一些有关PCB材料如何处理极端温度的证据,例如在焊接过程中。例如,多层结构中使用的材料的CTE值不匹配会导致可靠性问题,因为不同电路层的尺寸会随温度发生变化。通常认为具有较低CTE值的PCB材料比具有较高CTE值的材料具有更强的热稳定性。就在宽温度范围内的使用而言,CTE为70 ppm /°C的电路材料被认为是相当坚固的,并且应能够应对电路制造和装配的极端温度。

PCB材料的CTE应该在x和y轴上与铜的CTE紧密匹配,以最大程度地降低机械应力随温度的变化。另外,电路材料z轴上的CTE可以洞悉将通过介电材料形成的镀通孔(PTH)的预期可靠性,因为这些钻孔均镀有铜。理想地,电介质材料和铜将以类似的方式随着温度而膨胀和收缩,以实现PTH的高可靠性。 

射频/微波电路(特别是用于大功率设计)的散热是一项重要功能,其特征在于PCB的导热性。尽管标准PCB材料的导热系数可能为0.25 W / m / K,但通常会在PCB材料中添加填充剂,以将导热系数提高到更有利的值(以及更好的散热能力)。例如,RO4350B是罗杰斯公司的碳氢化合物/陶瓷PCB材料,长期以来一直是包括汽车和蜂窝通信系统在内的高频应用的可靠构建基块材料。

RO4350B并非基于PTFE,但在10 GHz时z轴的Dk相对较低,为3.48±0.05,TCDk为+50 pm /°C,耗散系数为0.0037。它具有0.69 W / m / K的合理良好的导热率。相反,同样来自罗杰斯公司的RT / duroid 6035HTC是一种陶瓷填充的PTFE复合材料,专门为高功率,高频电路而配制,Dk为3.50±0.05,TCDk为+50 ppm /°C。 ,并具有0.0013的低损耗因子。它具有出色的导热性,典型值为1.44W / m / K。

射频/微波PCB

从低成本的FR-4材料到昂贵的基于PTFE的材料,用于射频/微波PCB的材料种类繁多。由FR-4材料组成的电路板实质上是玻璃增强环氧树脂的层压板,而PTFE材料通常由玻璃纤维或陶瓷填充材料增强(尽管也使用纯PTFE基PCB)。这两种极端材料之间在性能上的差异指出了PCB材料在成本和性能之间以及在FR-4的易加工性与PTFE材料的加工难度之间必须进行的权衡。

出色的电路性能通常要付出高昂的代价,尽管许多PCB材料供应商已投入巨大的精力来开发各种Dk值不同的复合材料,以用于各种RF /微波应用。

 

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