一文了解環(huán)境變化對電路性能的影響

電子電路是在基板材料的基礎上構建的，這些材料可能極易受溫度和濕度等環(huán)境條件變化的影響。很多商業(yè)應用、消費應用、甚至是醫學(xué)應用的工作條件的變化是較為輕微的，例如都是室溫（RT）和低相對濕度（RH）條件。但是，很多其他的應用就沒(méi)有這么理想的工作條件了，尤其是設計用于航空航天（A&D）、工業(yè)以及太空環(huán)境的系統。并非所有電路材料的配方或特性都是針對不同應用所需的環(huán)境條件的不同組合而設計的，所以應謹慎考慮用于挑戰性工作環(huán)境的高頻、高速數字（HSD）電路的電路材料。

理想情況下，電子電路最好能始終在室溫和低相對濕度條件下使用。但是，即使是消費類(lèi)電子，例如手機，也不得不在室外使用，工作環(huán)境可能是炎熱夏季，或者可能降到冰點(diǎn)（0℃或+32°F）以下的冬季。電路材料的電氣性能也許在室溫（通常是+25℃）條件下非常好，但也有可能會(huì )隨著(zhù)工作溫度和/或濕度的變化而性能惡化。不過(guò)，很多電路在其使用壽命內，僅有一小部分時(shí)間是在理想條件下使用的。根據使用場(chǎng)合，工作溫度和相對濕度可能發(fā)生極端變化，因此會(huì )影響基于基板材料制成的電路的性能。

為了表征高頻、高速印刷電路板（PCB）材料在高溫條件下的特征，已經(jīng)開(kāi)發(fā)出可重復的試驗方法。測量被測材料制作的已知長(cháng)度傳輸線(xiàn)的信號幅度和相位散射（S）參數，可以確定材料介電常數（Dk）和損耗因子（Df）等特征數據。例如，在室溫條件下進(jìn)行的測量可以提供材料Dk的參考值；在高溫條件下獲得的結果可以確定升溫對電路材料Dk影響所需的詳細信息。

測試TCDf 也是非常困難的，即使是用程控和精密的試驗設備。不過(guò)還有一個(gè)更常見(jiàn)的參數，即插入損耗的溫度系數（TCIL），該參數是基于評估溫度變化對用某種電路材料制成的傳輸線(xiàn)插入損耗的影響。

溫度環(huán)境下的測試

電路材料的Dk表示材料儲存電磁（EM）的能力。電路材料的Dk是一個(gè)相對于真空Dk或1.00的數值。通過(guò)具有某一長(cháng)度和寬度的傳輸線(xiàn)對傳輸信號幅度和相位的影響，我們能夠深入了解傳輸線(xiàn)所用基板材料的特征。

PCB材料的Dk測試同時(shí)需要測量和計算。對于高頻、高速電路材料來(lái)說(shuō)，用于Dk的測量是建立在用相應材料制成已知長(cháng)度傳輸線(xiàn)的基礎上進(jìn)行，例如微帶線(xiàn)、帶狀線(xiàn)等眾所周知的傳輸線(xiàn)類(lèi)型。因為波長(cháng)（和電路尺寸）會(huì )隨頻率增加而縮小，所以電路材料的Dk測試方法通常是在10 GHz或以下頻率的帶狀線(xiàn)電路和30 GHz或更高毫米波（mmWave）頻率的微帶線(xiàn)電路基礎上進(jìn)行。例如，羅杰斯公司（www.rogerscorp.com）使用夾具式帶狀線(xiàn)方法測定10 GHz頻率下的材料Dk，并使用微帶線(xiàn)差分相位長(cháng)度法測試77 GHz頻率下的材料Dk。這些測試方法的準確度較高，可以用在常溫和高溫下測量溫度對Dk和電路損耗的影響。

為了測試不同工作溫度下的Dk值，我們用微帶線(xiàn)差分相位長(cháng)度法在高溫環(huán)境下對工作于毫米波頻率（77 GHz）的很多電路材料進(jìn)行了評估，包括羅杰斯公司的RO3003G2? 層壓板材料。該測試是在兩條傳輸線(xiàn)相位角測量的基礎上進(jìn)行的，且這兩條傳輸線(xiàn)是用相同材料、相同類(lèi)型銅導體所制成的不同長(cháng)度傳輸線(xiàn)。首先在室溫條件下測量相位，作為參考值；然后在高溫條件下測量相位值。由于溫度對傳輸線(xiàn)的影響，以及在實(shí)驗頻率和工作溫度下對電路材料Dk的影響，因此室溫和高溫條件下測得的信號相位是不同的。

測試過(guò)程中，這些電路均連接到信號源和VNA上，先在室溫條件下測量77GHz的每個(gè)電路的S參數，確定參考水平。對于高溫條件下的測量，所有互連部位需保持不變，唯一的不同是控制的工作溫度。將溫度控制到65℃穩定后，再次測量獲得在77 GHz條件下每個(gè)電路的幅度和相位的S參數。升高溫度至125℃后再次重復測量。最終測量結果提供了兩個(gè)不同長(cháng)度的微帶線(xiàn)電路在三種不同工作溫度條件下77 GHz的幅度和相位的S參數值。這些數據即可用于確定被測材料的Dk和損耗隨溫度變化的特性。

測試結果

RO3003G2層壓板材料的性能優(yōu)異，其Dk和損耗（通常用Df表示）受高溫升溫的影響最小。

從測試結果來(lái)看：

1 在 77 GHz頻率下（見(jiàn)圖1），Dk的變化（ΔDk）非常小，在從常溫25℃到高溫125℃的較大溫度范圍內僅有0.010的變化量，對應相位的變化量（Δ?）僅有 6°。

2 而相同條件下，5mil的基于PPE樹(shù)脂的電路材料（見(jiàn)圖2）從常溫到高溫的Dk的變化（ΔDk）是0.031，對應相位變化量Δ?也較大，達到17°。

因此，通過(guò)多組材料的比較，RO3003G2層壓板材料更適用于如汽車(chē)相控陣雷達天線(xiàn)等對溫度條件敏感的電路的應用。

插圖說(shuō)明

在+25℃、+65℃和 +125℃條件下，5mil RO3003G2層壓板和5mil PPE的層壓板（均為0.5oz.電解銅箔）在77GHz下的Dk隨溫度對比圖。

圖1

圖2