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高频射频线路板材选材和无源互调

发布日期:2022-10-21 08:54:10  |  关注:89

  随着无线通讯和宽带网络的发展,PCB高频板已不再简简单单是在一些绝缘的基材上面布上金属导线,实现互联。在许许多多的情况下,基材和金属导体已经成为功能元件的一部分。尤其是在射频应用中,元件与基材相互作用,从而,PCB高频板的设计和制造越来越对产品的功能产生至关重要的影响。如左图1所示的高频射频线路板/微波板的一个典型部分,上面的导体都是一个个元件。

24G高频微波射频线路板.jpg

  我们PCB高频板制造者也更多的介入与设计相关的东西,尤其是到高频,高速信号传输中更是如此。同样设计者也必须对PCB高频板制造工艺有深入的了解,才能综合生产出合格的,高性能的PCB高频板。

  我们从这期开始介绍一些大家经常接触的参数,由浅入深做一些技术探讨,希望能够加深设计与制造的沟通和交流。

  1.介电常数

  介电常数(Dk,ε,Er)决定了电信号在该介质中传播的速度。电信号传播的速度与介电常数平方根成反比。介电常数越低,信号传送速度越快。我们作个形象的比喻,就好像你在海滩上跑步,水深淹没了你的脚踝,水的粘度就是介电常数,水越粘,代表介电常数越高,你跑的也越慢。

  高频射频线路板材的介电常数并不是非常容易测量或定义,它不仅与介质的本身特性有关,还与测试方法,测试频率,测试前以及测试中的材料状态有关。介电常数也会随温度的变化而变化,有些特别的材料在开发中就考虑到温度的因素。湿度也是影响介电常数的一个重要因素,因为水的介电常数是70,很少的水分,会引起显著的变化。

  以下是一些典型材料的介电常数(在1Mhz下):

典型材料的介电常数(在1Mhz下):.jpg

  可以看出,对于高速、高频应用而言,最理想的材料是由铜箔包裹的空气介质,厚度允差在+/-0.00001"。作为材料开发,大家都在朝这个方向努力,如雅龙Arlon专利开发的Foamclad非常适合基站天线的应用。但不是所有的高频射频线路设计都是介电常数越小越好,它往往根据一些实际的设计而定,一些要求体积很小的线路,常常需要高介电常数的材料,如雅龙Arlon的AR1000用在小型化线路设计。有些设计如功放,常用介电常数2.55(如雅龙Arlon Diclad527,AD255等),或者介电常数3.5(如AD350,25N/FR等)。也有采用4.5介电常数的,(如AD450)主要从FR-4设计改为高频应用,而希望沿用以前设计。

  介电常数除了直接影响信号的传输速度以外,还在很大程度上决定特性阻抗,在不同的部分使得特性阻抗匹配在微波通信里尤为重要.如果出现阻抗不匹配的现象,阻抗不匹配也称为VSWR(驻波比)。

  CTEr:由于介电常数随温度变化,而高频射频线路板的微波应用的材料又常常在室外,甚至太空环境,所以CTEr(Coefficenc of Thermal of Er,介电常数随温度的变化系数)也是一个关键的参数。一些陶瓷粉填充的PTFE聚四氟乙烯能够有非常好的特性,如CLTE。

CLTE.jpg

  2.损耗因子(Loss,loss tangent,Df,Dissipation factor)

  除了介电常数,损耗因子是影响材料电气特性的重要参数。介电损耗也称损耗正切,损耗因子等,它是指信号在介质中丢失,也可以说是能量的损耗。这是因为高频信号(它们不停地在正负相位间变换)通过介质层时,介质中的分子试图根据这些电磁信号进行定向,虽然实际上,由于这些分子是交联的,不能真正定向。但频率的变化,使得分子不停地运动,产生大量的热,造成了能量的损耗。而有些材料,如PTFE聚四氟乙烯的分子是非极性的,所以不会受电磁场的影响变化,损耗也就较小。同样,损耗因子也跟频率和测试方法有关,一般规律是在频率越高,损耗越大。

  最直观的例子是传输中电能的消耗。如果电路设计损耗小。电池寿命可以明显增加。在接收信号时,采用的损耗的材料,天线对信号的敏感度增加,信号更清晰。

  常用的FR4环氧树脂(Dk4.5)极性相对较强,在1GHz下,损耗约0.025,而PTFE聚四氟乙烯基材(Dk2.17)在此条件下的损耗是0.0009。石英填充的聚酰亚胺与玻璃填充的聚酰亚胺相比,不仅介电常数低,而且损耗也较低,,因为硅的含量较纯。

  下图为PTFE聚四氟乙烯的分子结构图,我们可以看到,它的结构非常对称,C-F键结合紧密,无极性基团。故随电磁场变化而摇摆的可能性很小,表现在电气特性上就是损耗小。

PTFE 的分子结构图.jpg

  3.导热性

  在许多微波领域,有较多是大功率的应用,材料的散热特性能在很大方面影响整个系统的可靠性。所以导热系数也应当成为我们考虑的一个方面。有些特别的高可靠高功耗应用,还可以采用金属衬(铝基或铜基)。

导热性.jpg

  4.可制造性

  我们了解,PTFE聚四氟乙烯材料比较难于加工,尤其是孔金属化,需要等离子体或萘钠处理,提高它的活性,而且PTFE聚四氟乙烯是热塑性材料,多层板加工要求温度较高。现在也开发出了新的低损耗热固性树脂材料用于高频线路,可以加工多层板,而无需等离子体活化,如雅龙Arlon25N/FR。目前大量用于LNA,PA和天线设计中。吸潮性也是一个考虑因素,尽可能选用吸潮小的材料,电气特性更加稳定。

  5.热膨胀系数(CTE)

  热膨胀系数通常简写为CTE(Coeffecient Thermal Efficent),它是材料的重要热机械特性之一。指材料受热的情况下膨胀的情况。实际的材料膨胀是指体积变化,但由于基材的特性,我们往往分别考虑平面(X-,Y-)和垂直方向的膨胀(Z-)。

  平面的热膨胀常常可以通过增强层材料加以控制,(如玻璃布,石英,Thermount),而纵向的膨胀总是在玻璃转化温度以上难以控制。

  平面的CTE对于安装高密度的封装至关重要,如果芯片(通常CTE在6-10ppm/C)安装在常规PCB高频板上(CTE 18ppm/C),通过多次的热循环以后,可能造成焊点受力过度老化。而Z轴的CTE直接影响镀孔的可靠性,尤其对于多层板而言。

  通常PTFE聚四氟乙烯的CTE较大,用纯的PTFE聚四氟乙烯制造多层板不太多见,常常采用陶瓷粉填充的PTFE聚四氟乙烯。如雅龙Arlon公司的CLTE、LCCLTE等,最有代表性的应用是制造高达30层多层线路板。

  用于全球通信卫星上。

全球通信卫星.jpg

  6.无源交调(PIM)

  在射频的前端设计,如天线、滤波都对无源交调有所要求,这也与PCB高频板的基材相关。有些公司采用特定的铜箔,使得无源交调保持在一定的范围。下表给出没有无源交调要求的高频射频线路板材和有特定要求的高频射频线路板材PIM的区别。

无源交调(PIM).jpg

  无源互调产生于原因

  无源互调主要由无源非线性产生,而无源非线性通常有两种类型:一类是金属接触引起的非线性,另一类是材料本身的固有非线性。例如,同轴电缆和连接器通常被认为是线性的,但是在大功率情况下,其非线性效应显示出来。在电缆编织物的接触、连接器的丝扣和其它金属接头中,轻微的非线性的确存在。这些金属接触的每个表面都有金属氧化形成的薄绝缘层,正是这种接触非线性产生低电平无源互调干扰,这些干扰可使接收机的性能严重降低。

  金属接触非线性产生的原因主要是连接处的松动和腐蚀,其伏安特性是一条曲线,具体的主要机理如下:

  1)低劣的安装工艺引起的非线性;

  2)与金属接触处的大电流有关的非线性;

  3)与金属表面污垢、金属粒子和碳化有关的非线性;

  4)通过金属结构中的砂眼和微狭缝的二次电子倍增效应;

  5)穿过金属接触处薄氧化层(厚度小于50Ao)的电子隧道效应和半导体行为;

  6)由强电流引起的金属接触面相对运动的热循环。

  线性和非线性没有严格的界限,金属接触通常被认为是线性的,但在大功率情况下表现出非线性效应。

  非线性效应不能完全消除,只能尽量设法减小,主要的减小措施有:

  1)保持最小的热循环,减小金属材料的膨胀和压缩产生的非线性接触。

  2)使金属接触的数量最小。例如,使用扼流连接或其它电介质连接,提供足够的电流通道,保持所有的机械连接清洁、紧固。

  3)在电流通道上尽可能避免使用调谐螺丝或金属、金属接触的活动部件。如果非用不可,应将它们放在低电流密度区域。

  4)提高材料的连接工艺。确保连接可靠,尽量做到无缝隙、无污染或无腐蚀。

  5)导电通道上的电流密度应保持低值。例如,接触面积要大,导体块要大。

  由于无源互调问题的复杂性,很难建立大功率电路模型,因而无法使用非线性电路的某些分析方法,但是对金属接触非线性来说,可用如图4所示的简单系统表示,其中X和Y分别表示输入和输出信号(电流或电压),通过单个传递函数模拟整个金属接触非线性的产生过程,采用输入输出法分析,具体的求解方法主要有幂级数法和伏特拉级数法。由于幂级数法具有使用简单、计算速度快、容易实现等优点,所以本文采用这种方法。

  小结

  高频射频线路板用的微波材料的选择主要通过介电常数、损耗、热膨胀系数、导热性几方面选择。

  低成本低损耗热固性高介电常数陶瓷填充PTFE聚四氟乙烯低介电常数,低损耗PTFE聚四氟乙烯CTEr稳定的陶瓷填充PTFE聚四氟乙烯低成本商用PTFE聚四氟乙烯。

陶瓷填充PTFE 低成本商用PTFE.jpg