淺談高頻微波射頻pcb線(xiàn)路板關(guān)鍵材料

淺談高頻微波射頻pcb線(xiàn)路板關(guān)鍵材料

印刷電路板（PCB）的電路材料是射頻（RF ）/微波電路的關(guān)鍵構建塊-本質(zhì)上是這些電路的起點(diǎn)。PCB材料有許多不同的形式，并且材料的選擇在很大程度上取決于預期應用的要求。例如，當進(jìn)入軍事環(huán)境的極端情況時(shí)，在商用無(wú)線(xiàn)產(chǎn)品中可靠地支持高頻電路的材料可能會(huì )迅速失效。對PCB材料類(lèi)型及其參數的基本了解可以幫助將材料與應用程序匹配。

與許多射頻/微波組件一樣，PCB材料通過(guò)許多關(guān)鍵參數進(jìn)行分類(lèi)和比較，包括相對介電常數（Dk或εr），耗散因數（Df），熱膨脹系數（CTE），介電質(zhì)熱系數常數（TCDk）和熱導率。當對不同的PCB材料進(jìn)行分類(lèi)時(shí)，許多電路設計人員從Dk開(kāi)始。PCB材料的Dk值是指與在真空中的同一對導體相比，在該材料上制造的一對非常接近的導體之間可用的電容或能量。

真空產(chǎn)生的參考值為1.0，其他介電材料則提供更高的參考值。例如，商業(yè)PCB材料的Dk值通常在大約2到10的范圍內，具體取決于它們的測量方式和測試頻率。具有較高Dk值的材料上的導體可以比具有較低Dk值的材料上的導體存儲更多的能量。

印刷電路板（PCB）

PCB材料的Dk值會(huì )影響在該材料上制造的傳輸線(xiàn)的尺寸，波長(cháng)和特性阻抗。例如，對于給定的特性阻抗和波長(cháng)，在Dk值高的PCB材料上制造的傳輸線(xiàn)的尺寸將比在Dk值低的PCB材料上制造的傳輸線(xiàn)的尺寸小得多，盡管其他材料參數可能不同的。面對損耗是關(guān)鍵性能參數的電路的設計人員，通常傾向于使用Dk值較低的PCB材料，因為這些材料的損耗要比Dk值較高的材料低。

實(shí)際上，PCB材料可以通過(guò)介電損耗，導體損耗，泄漏損耗和輻射損耗四種方式失去信號功率，盡管通過(guò)選擇PCB材料可以更好地控制介電損耗和導體損耗。例如，Df參數提供了一種比較不同材料的介電損耗的方法，其中較低的Df值表示具有較低介電損耗的材料。

對于給定的傳輸線(xiàn)阻抗（例如50Ω），低Dk材料上的傳輸線(xiàn)在物理上會(huì )比高Dk材料上的傳輸線(xiàn)寬，而較寬傳輸線(xiàn)的導體損耗也較小。與較高Dk材料的較窄傳輸線(xiàn)相比，這些較寬的傳輸線(xiàn)還可以轉化為更高的制造良率（并節省生產(chǎn)成本）。但是，權衡取舍的是，它們在PCB上占據了更大的面積，這對于小型化至關(guān)重要的設計可能是一個(gè)問(wèn)題。PCB基板的厚度，尤其是其銅導體層的厚度，也會(huì )影響傳輸線(xiàn)的阻抗，更薄的介電材料和導體會(huì )產(chǎn)生更窄的導體寬度，以保持所需的特性阻抗。

PCB材料的導體通常以銅的重量來(lái)指定，例如1盎司。（厚35微米）銅或2盎司。（厚度為70μm）銅。這些銅導體的質(zhì)量也會(huì )影響導體損耗。具有粗糙表面的銅導體將比具有光滑表面輪廓的銅導體表現出更高的導體損耗。

維持傳輸線(xiàn)的阻抗對于許多RF /微波電路至關(guān)重要，因此，將Dk控制在整個(gè)PCB的窄范圍內并隨溫度變化，對于在設計中實(shí)現嚴格的阻抗至關(guān)重要。大多數PCB數據表都顯示了材料的Dk及其Dk公差，例如±0.5。

另一個(gè)重要的材料參數TCDk提供了有關(guān)PCB材料的Dk在工作溫度范圍內變化多少的詳細信息，因為這也會(huì )影響傳輸線(xiàn)的阻抗。150 ppm /°C的TCDk值可能被認為是高值，而30 ppm /°C或更低的TCDk值被認為很低。對于必須在較寬的工作溫度范圍內保持阻抗的電路，最好使用TCDk值較低的PCB材料。

除了溫度變化會(huì )影響Dk和阻抗外，它們還會(huì )對PCB產(chǎn)生機械影響。PCB的CTE是一個(gè)試圖顯示溫度對PCB材料的影響的參數。本質(zhì)上，它是材料隨溫度的膨脹/收縮的量度，而較低的值是目標。例如，盡管純PTFE具有較高的CTE（約300 ppm /°C），但由于其優(yōu)異的電特性，諸如聚四氟乙烯（PTFE）之類(lèi)的材料長(cháng)期以來(lái)一直用于高頻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。值得關(guān)注的是，PCB介電材料的CTE應該與其導體和其他層的CTE緊密匹配，以使溫度變化的機械影響最小化。

PTFE復合材料RT / duroid 6035HTC

這種陶瓷填充的PTFE復合材料RT / duroid 6035HTC具有高導熱性，可用于大功率電路應用

對于任何商用PCB材料，通常會(huì )為所有三個(gè)軸（x，y和z）列出單獨的CTE值。CTE提供了一些有關(guān)PCB材料如何處理極端溫度的證據，例如在焊接過(guò)程中。例如，多層結構中使用的材料的CTE值不匹配會(huì )導致可靠性問(wèn)題，因為不同電路層的尺寸會(huì )隨溫度發(fā)生變化。通常認為具有較低CTE值的PCB材料比具有較高CTE值的材料具有更強的熱穩定性。就在寬溫度范圍內的使用而言，CTE為70 ppm /°C的電路材料被認為是相當堅固的，并且應能夠應對電路制造和裝配的極端溫度。

PCB材料的CTE應該在x和y軸上與銅的CTE緊密匹配，以最大程度地降低機械應力隨溫度的變化。另外，電路材料z軸上的CTE可以洞悉將通過(guò)介電材料形成的鍍通孔（PTH）的預期可靠性，因為這些鉆孔均鍍有銅。理想地，電介質(zhì)材料和銅將以類(lèi)似的方式隨著(zhù)溫度而膨脹和收縮，以實(shí)現PTH的高可靠性。 

射頻/微波電路（特別是用于大功率設計）的散熱是一項重要功能，其特征在于PCB的導熱性。盡管標準PCB材料的導熱系數可能為0.25 W / m / K，但通常會(huì )在PCB材料中添加填充劑，以將導熱系數提高到更有利的值（以及更好的散熱能力）。例如，RO4350B是羅杰斯公司的碳氫化合物/陶瓷PCB材料，長(cháng)期以來(lái)一直是包括汽車(chē)和蜂窩通信系統在內的高頻應用的可靠構建基塊材料。

RO4350B并非基于PTFE，但在10 GHz時(shí)z軸的Dk相對較低，為3.48±0.05，TCDk為+50 pm /°C，耗散系數為0.0037。它具有0.69 W / m / K的合理良好的導熱率。相反，同樣來(lái)自羅杰斯公司的RT / duroid 6035HTC是一種陶瓷填充的PTFE復合材料，專(zhuān)門(mén)為高功率，高頻電路而配制，Dk為3.50±0.05，TCDk為+50 ppm /°C。 ，并具有0.0013的低損耗因子。它具有出色的導熱性，典型值為1.44W / m / K。

射頻/微波PCB

從低成本的FR-4材料到昂貴的基于PTFE的材料，用于射頻/微波PCB的材料種類(lèi)繁多。由FR-4材料組成的電路板實(shí)質(zhì)上是玻璃增強環(huán)氧樹(shù)脂的層壓板，而PTFE材料通常由玻璃纖維或陶瓷填充材料增強（盡管也使用純PTFE基PCB）。這兩種極端材料之間在性能上的差異指出了PCB材料在成本和性能之間以及在FR-4的易加工性與PTFE材料的加工難度之間必須進(jìn)行的權衡。

出色的電路性能通常要付出高昂的代價(jià)，盡管許多PCB材料供應商已投入巨大的精力來(lái)開(kāi)發(fā)各種Dk值不同的復合材料，以用于各種RF /微波應用。