AGC旗下Taconic和Nelco的高頻高速PCB材料在毫米波不同應用場(chǎng)景的解決方案

本篇節選AGC《淺談毫米波應用PCB材料解決方案》

首先以Taconic和Nelco的高頻高速PCB材料為例，按照Dk和Df為坐標進(jìn)行分類(lèi)，可見(jiàn)PTFE樹(shù)脂體系材料（TLY-5Z, NF-30, TSM-DS3, fastRise）的介質(zhì)損耗低于PPO/PPE樹(shù)脂體系材料（以MW-4000為例）；碳氫樹(shù)脂體系材料并未列在圖1中，其介質(zhì)損耗大概在0.0030左右。。

圖1 AGC公司在毫米波應用材料的矩陣圖

       此外，將圖1中的材料進(jìn)一步展開(kāi)，按照產(chǎn)品結構體系、適用PCB結構、Dk/Df@10GHz、常用介質(zhì)厚度和實(shí)際應用頻率等幾個(gè)關(guān)鍵維度進(jìn)行進(jìn)一步細化歸納為表2。其中混壓結構是指所列材料與其它不同樹(shù)脂體系材料一起制作混壓多層板；Dk/Df的數據采用10GHz數據是基于純介質(zhì)的測試數據，不包含銅箔對于數據的影響，便于理解其介質(zhì)本身的電氣特點(diǎn)；應用頻率是指該材料在實(shí)際的應用案例中做達到工作頻率。

表2 AGC公司在毫米波應用材料一覽表

3.1 TLY-5Z

TLY-5Z作為一款含有玻璃纖維布+陶瓷填料的低損耗PTFE材料，克服了常規低介電常數（Dk2.2）PTFE材料Z軸方向膨脹系數偏大的缺點(diǎn)（圖4），可以有效的提升金屬化過(guò)孔的長(cháng)期可靠性（圖5）。同時(shí)，在相同的介質(zhì)厚度和阻抗控制下，低介電常數可使射頻線(xiàn)路設計得相對更寬，在毫米波頻段下，線(xiàn)路整體的插入損耗更低。

圖4 TLY-5Z與TLY-5 在Z軸方向熱膨脹系數對比

圖5 TLY-5Z, 40mil厚度, PTH冷熱循環(huán)100cycle, 孔口無(wú)斷裂

對于TLY-5Z的設計而言（典型應用包括5G毫米波），其搭配ULP銅箔（HVLP-2級別）混壓PPO/PPE材料制作毫米波多層混壓板（如圖6所示）。

圖6 TLY-5Z應用于毫米波天線(xiàn)設計

（TLY-5Z設計在Top 層作為毫米波天線(xiàn)整列）

3.2 NF-30

NF-30作為一款不含玻璃纖維布的PTFE材料，在保證極低介質(zhì)損耗的同時(shí)，能夠有效規避玻璃纖維所帶來(lái)的潛在CAF風(fēng)險，并增強材料各向電氣性能一致性。此外，對于采用FOWLP方式封裝的毫米波芯片直接焊接到PCB上（焊在使用NF-30的天線(xiàn)層上）的情況，NF-30所具有的無(wú)編織玻璃布結構能夠有效的吸收芯片與PCB之間CTE不匹配所造成的焊點(diǎn)內應力，從而確保芯片焊接的長(cháng)期可靠性（焊點(diǎn)連接處可以經(jīng)受-55C~140C，1000cycle以上的冷熱循環(huán)測試而不失效）。

圖7 不同頻率下NF-30，5mil介質(zhì)厚度搭配ULPH銅箔的Design Dk

圖8 NF-30的Dk隨溫度變化的變化率（-55C～150C）

與此同時(shí)，由于NF-30系不含玻璃纖維結構材料，其尺寸穩定性不如帶玻璃纖維結構材料，因而限制其應用場(chǎng)景主要為混壓結構，且NF-30多被設計于Top層。

圖9 NF-30不同批次在77GHz下Desgin Dk分布

圖10 NF-30搭配ULP銅箔與友商材料的插損材料對比

圖11 NF-30 搭配不同銅箔的插入損耗曲線(xiàn)

圖12 NF-30 搭配不同銅箔的Design Dk 趨勢

圖13 NF-30 PTH孔和激光盲孔可靠性

（冷熱循環(huán)1000次）

NF-30主要適合應用在77GHz汽車(chē)毫米波雷達產(chǎn)品，對于下一代的77GHz汽車(chē)毫米波（4D雷達）的設計，建議采用NF-30搭配PPO/PPE材料制作混壓多層板（如圖14），在此種設計中，為了給Top 層的天線(xiàn)設計騰挪出足夠多的空間，毫米波芯片可以通過(guò)極聯(lián)的方式組裝在Bottom層，因而選擇PPO/PPE材料來(lái)降低芯片到天線(xiàn)層之間的鏈路損耗。此外，PPO/PPE材料更加適合多層板的加工，且成本低于碳氫樹(shù)脂材料。

圖14 NF-30搭配PPO/PPE材料制作4D汽車(chē)雷達

3.3 TSM-DS3

  在毫米波射頻應用場(chǎng)景中，通過(guò)PCB射頻電路來(lái)替代線(xiàn)纜用以連接射頻單元的方案可以有效的減小產(chǎn)品尺寸，提升產(chǎn)品的集成度。但在使用PCB射頻電路替代線(xiàn)纜時(shí)，由于PCB方案的插入損耗比線(xiàn)纜高，且布線(xiàn)復雜程度增加會(huì )帶來(lái)多層板設計，因而需要盡可能選擇低損耗且易于進(jìn)行多層線(xiàn)路板加工的材料。

TSM-DS3作為一款含有玻璃纖維布+陶瓷填料的低損耗PTFE材料，具有極佳的尺寸穩定行，搭配fastRise使用，可以制作高多層線(xiàn)路板（見(jiàn)圖15），并且在多次壓合后仍能保證良好的尺寸穩定性。此外，TSM-DS3具有非常低的TcDK（5.4ppm/C, -55C~150C）（見(jiàn)圖16）以及優(yōu)異的環(huán)境耐受性，因而在毫米波頻段的電氣性能更加穩定。

圖15 TSM-DS3搭配fastRise制作純PTFE材料多層板

圖16 TSM-DS3 TcDK數據

圖17 TSM-DS3搭配不同類(lèi)型銅箔的插損曲線(xiàn)

圖18 TSM-DS3應用于毫米波天線(xiàn)設計

（TSM-DS3設計在Top 層作為毫米波天線(xiàn)整列）

對TSM-DS3的設計而言（典型應用包括5G毫米波、衛通毫米波地面天線(xiàn)）可以選擇TSM-DS3搭配ULP銅箔（HVLP-2級別）混壓PPO/PPE材料制作毫米波多層混壓板（如圖18所示）。

3.4 Meteorwave系列

Meteorwave系列材料為PPO/PPE樹(shù)脂體系材料，與PTFE樹(shù)脂體系材料和碳氫樹(shù)脂體系材料相比（見(jiàn)表1），其優(yōu)勢在于：（1）優(yōu)異的PCB可加工性（與FR-4相當），尤其在多層板的加工；（2）介質(zhì)損耗（以MW-4000為例）居于PTFE和碳氫樹(shù)脂材料之間；（3）材料的價(jià)格最低。PPO/PPE在毫米波應用其最大的優(yōu)勢在于能夠最大程度的降低多層板的內層電路損耗，提升產(chǎn)品的可設計性和可制造性。在這一方面PTFE材料和碳氫樹(shù)脂材料都是難以完全勝任的。接下來(lái)我們以Meteorwave系列中的MW-4000為例展開(kāi)進(jìn)行討論：

圖19 MW-4000，5mil介質(zhì)搭配HVLP-2銅箔的Design Dk

圖20 MW-4000介質(zhì)損耗隨頻率的變化趨勢

     從MW-4000的Design Dk和介質(zhì)損耗隨頻率的變化全是來(lái)看，Design Dk隨著(zhù)頻率的增加而出現下降的趨勢（見(jiàn)圖19），在26GHz～40GHz的建議Desgin Dk值可以按照3.34來(lái)進(jìn)行設定；77GHz頻段按照3.32來(lái)進(jìn)行設定。介質(zhì)損耗在26GHz～100GHz以?xún)茸兓苄?，不超過(guò)0.0005（見(jiàn)圖20）。

圖21 MW-4000與同族其它型號材料的插損對比

     MW-4000在同族系列材料中的插入損耗處在Ultra Low loss水平（見(jiàn)圖21），MW-4000搭配HVLP-2銅箔的插損的表現在40GHz以?xún)?，不超過(guò)0.45dB/inch。

圖22 MW-4000與NF-30及其它友商材料的插損對比

MW-4000的插入損耗在與NF-30以及其它友商材料的插損對比中可以看出（見(jiàn)圖22），MW-4000搭配HVLP-2銅箔的插損是低于某友商PTFE樹(shù)脂體系材料搭配HTE銅箔的插損，但由于MW-4000的Dk在3.4附近，所以其在阻抗一定的情況下，其設計線(xiàn)寬會(huì )略小于Dk3.0的材料，所以其插損與同級別的友商Dk3.0的PPO/PPE樹(shù)脂材料相比，MW-4000搭配HVLP-2銅箔的插損略高于友商PPO/PPE材料搭配HVLP-2銅箔(粗糙度1.0um)。但這里需要注意的一點(diǎn)是，我們通過(guò)使用HVLP-3銅箔（粗糙度<0.8um）可以進(jìn)一步降低MW-4000的插損，但是在實(shí)際的應用中會(huì )產(chǎn)生另外兩個(gè)問(wèn)題：（1）銅箔的附著(zhù)力降低，不適合在最外層微帶線(xiàn)結構的天線(xiàn)應用；（2）成本會(huì )增加（HVLP-3貴過(guò)HVLP-2）；根據我們的經(jīng)驗，在毫米波天線(xiàn)應用中：40GHz以下的毫米波天線(xiàn)，MW-4000搭配HVLP-2銅箔用著(zhù)天線(xiàn)層完全可以勝任，在內層走線(xiàn)（低頻數字信號）是銅箔可以搭配RTF-2級別的銅箔。

圖23 MW-4000可以制作復雜結構的PCB板

由于MW-4000在高多層高速數字PCB中的應用已有多年的成熟經(jīng)驗，因而對于MW-4000在可加工性和可靠性方面數據就不過(guò)多列舉，僅展示其幾種典型的多層板結構切片（見(jiàn)圖23）。

對于MW-4000的設計建議而言（典型應用包括5G毫米波、77GHz 汽車(chē)4D雷達、衛通毫米波地面天線(xiàn)），我們建議客戶(hù)可以采用多層板（同種材料）和PTFE材料+MW-4000混壓多層板的方案（圖24）。

圖24 MW-4000 在毫米波應用的設計建議方案

3.5 fastRise系列超低損耗粘結片

 fastRise具一款改性PTFE膜+低損耗熱固性樹(shù)脂的粘結片，其主要用途在于兩張以上PTFE芯板之間提供低損耗的粘結介質(zhì)。其優(yōu)點(diǎn)在于：（1）超低介質(zhì)損耗0.0017@40GHz；（2）壓制厚度從2.1mil～5mil可選；（3）壓合溫度215C，適合多次壓合；在具體的毫米波產(chǎn)品設計中（典型應用包括5G毫米波、衛通毫米波地面天線(xiàn)），對帶狀線(xiàn)結構天線(xiàn)圖形走線(xiàn)提供超低損耗粘結片的方案（如圖25）。

圖25 fastRise典型設計結構

4. 結論

 本文從毫米波應用對PCB材料的選型依據入手，通過(guò)比較不同樹(shù)脂體系材料、搭配的銅箔類(lèi)型和PCB可加工性等對毫米波產(chǎn)品性能影響，討論了不同毫米波應用場(chǎng)景（包括5G毫米波、車(chē)載毫米波雷達、衛通毫米波天線(xiàn)等）下所對應的PCB材料解決方案以及各種材料方案。

在具體的毫米波材料選型過(guò)程中，需要綜合考慮電氣性能（包括介質(zhì)損耗、TcDk）、PCB可加工性、成本等三方面的因素，以期達到性能與成本的最優(yōu)配比，而不能一味的追求成本最低或者性能最優(yōu)。當然，作者認為采用混壓結構（PTFE+PPO/PPE）混壓結構的設計能夠最大的程度的在提升毫米波天線(xiàn)性能的同時(shí)，來(lái)降低PCB的成本。這種混壓結構的組合在5G毫米波、77GHz汽車(chē)雷達（4D雷達）和衛通地面天線(xiàn)等應用中越來(lái)越多的出現。