微波介质基板材料及选用

微波介质基板材料及选用杨维生 彭延辉 （南京电子技术研究所，江苏南京） 摘 要：本文就现代通讯中，微波复合介质电路基板材料进行了重点介绍。在对微波复合介质电路基板材料 进行分类的基础上，针对相关微波复合介质电路基板材料的选用，进行了详细阐述。关键词：选用；微波；基板前言 随着现代信息技术的革命，数字电路逐渐步入信息处理高速化、信号传输高频化阶段，为处理不断增加的数据，电子设备的频率变得越来越高。 为此，在满足传统设计及制造需求的基础上，对微波介质电路基板材料的性能提出了更新的要求。 鉴于应用于印制电路板上的信号必须采用高频，因此，如何减少在电路板上的传输损耗和信号延时，成为高频电路设计和制作的难题。 在设计微波电路的时候，需要一些印制电路板质量的知识，尤其是在为某一特定应用选择微波电路基板材料的时候更是如此。 当今的微波电路设计者较其前辈显得更为幸福，因为有很多微波介质电路基板材料的商业化产品可供选择，这既有好处也有坏处。因为，有太多选择可能，使选择的过程变得困难，所以，很多设计者首先考虑的是相对介电常数（Dk），将其作为一个关键的筛选参数。 研究表明，一些基本的材料属性，会导致印制板所用介质电路基板的标称Dk值发生偏差。例如， 产品数据表上所列参数值，是基于特定的材料厚度和铜箔类型。然而，不同材料供应商提供的同一种产品，通常具备不同的介质厚度和铜箔厚度，而介电常数会随着介质厚度和铜箔厚度的不同而有所变化。事实上，甚至铜箔的表面粗糙度，也会对Dk值造成影响。 此外，随着设计水平的日渐提升，微波介质电路基板材料的可加工性差异、金属化孔质量及可靠性、层间介质多层化变形性等因素，将日益凸显，给微波电路设计选材带来更多困惑微波介质电路基板材料介绍 在微波介质电路基板的研发、市场化进程中，全球各相关供应商所推出的产品牌号“林林总总”、不胜枚举。但是，细究其基板材料构成，无外乎树脂体系、玻璃纤维增强、陶瓷粉改性等诸方面。主要分为下述几类：1）玻璃纤维增强聚四氟乙烯树脂系列；2）陶瓷粉填充聚四氟乙烯树脂系列；3）陶瓷粉填充热固性树脂系列。玻璃纤维增强聚四氟乙烯树脂系列 为了达到高速传送，对微波基板材料在电气特性上有着明确的要求。在提高高速传送方面，要实现传输信号的低损耗、低延迟，必须选用介电常数和介质损耗角正切小的树脂基板材料。 在所有的树脂中，聚四氟乙烯的介电常数和介质损耗角正切最小，而且耐高低温性和耐老化性能好，最适合于作为微波复合电路基板材料，是目前采用量最大的微波电路板制造基板材料。 玻璃纤维增强聚四氟乙烯树脂系列微波复合介质电路基板，按照玻璃纤维增强方式，可分为玻璃短纤维增强、玻璃编织布增强两大类。 首先，玻璃短纤维增强，是罗杰斯公司专利性产品，其产品主要有RT/duroid5870和RT/duroid5870，其性能指标参见下表1。 其次，玻璃纤维编织布增强，全球多家公司均选择之方式，相关性能指标，选取目前常见几家供应商牌号于下表2。 陶瓷粉填充聚四氟乙烯树脂系列 微波及高速传送的微波复合介质电路基板材料，在玻璃纤维增强的基础上，出于对产品耐热等性能指标实现的考虑，往往通过在聚四氟乙烯树脂体系中添加陶瓷粉材料来实现。 陶瓷粉填充聚四氟乙烯树脂系列微波复合介质电路基板性能，选取目前常见几家供应商牌号于下表3。第十六届中国覆铜板技术市场研讨会论文集陶瓷粉填充热固性树脂系列微波及高速传送的微波复合介质电路基板材料，除了聚四氟乙烯树脂体系大量运用外，尚有其他热固性树脂系列（往往结合陶瓷粉填充技术）介质基板材料提供。从性价比而言，给民用通讯市场带去了无线生机。陶瓷粉填充热固性树脂系列微波复合介质电路基板性能，选取目前常见几家供应商牌号于下表4。第十六届中国覆铜板技术市场研讨会论文集 陶瓷粉填充热固性树脂系列 微波及高速传送的微波复合介质电路基板材料，除了聚四氟乙烯树脂体系大量运用外，尚有其他热固性树脂系列（往往结合陶瓷粉填充技术）介质基板材料提供。从性价比而言，给民用通讯市场带去了无线生机。 陶瓷粉填充热固性树脂系列微波复合介质电路基板性能，选取目前常见几家供应商牌号于下表4。 微波介质电路基板选用要求 微波介质电路基板的选用中通常应当考虑的因素包括：电性能，温度稳定性，频率稳定性和热膨胀系数。 电性能要求，是微波电路设计之根本，在此不表。 温度稳定性是指介电常数随温度变化的稳定程度。在设计对温度变化较为敏感的电路如：带通滤波器，压控振荡器及天线时，随温度变化较大的材料会带来许多问题。材料的温度稳定性通常是根据IPC-TM-6502.5.5.5， 通过测量用该材料制作的微带线谐振器而进行的。在-50到150温度下循环三次，以去除内应力和聚四氟乙烯材料中常有的磁滞现象。 频率稳定性是指介电常数随频率变化的程度。该项指标是根据IPC-6502.5.5.5.1,在500MHz到10GHz范围内测量的。高频介质板的介电常数变化非常小，从500MHz到10GHz仅1%。聚四氟乙烯材料在这个频率范围内为0.5%，而FR4材料的变化就相当大了，从500MHZ到8GHz下降了7%。 热膨胀系数是衡量材料随温度变化的机械特性。IPC-TM-6502.4.24.规定了板材的CTE的测量方法。随着温度的变化，介质板在X，Y，Z方向上尺寸都会发生微小的变化，其中，Z轴方向上的变化比较关键，因为它直接影响到金属化孔的可靠性，Z轴方向上的尺寸变化大会使金属化孔断裂。温度较低时，厚度的热膨胀基本成线性变化，当温度升高到一定值时，厚度发生巨变，这个温度被称为介质材料的玻璃化转变温度Tg。对环氧板，玻璃化转变温度Tg值是相当重要的。高频板的Tg值都较高，如ROGERS的板材一般都高于280。CTE和Tg都会影响金属化孔的可靠性，设计师了解介质板Tg温度以下和以上的CTE值能够更好的确定材料是否能够满足设计的温度要求。第十六届中国覆铜板技术市场研讨会论文集 微波介质电路基板材料的选用，除了应该考虑上述之介电性能，但同时也必须考虑其表面铜箔种类及厚度、环境适应性、可加工性等因素，当然还有成本问题。 微波介质电路基板材料之选用 应对不断出现的通讯市场需求，微波介质电路基板材料的应用日渐增多，下面将围绕选用中心，简述一二。 高速数字电路基板材料选择 随着微处理器和信号转换器等元器件每秒数十亿次的运行速度，数字电路随之不断达到更高的运行速度。 虽然，传输线阻抗的不连续性和多层印制板金属化孔缺陷等因素，都会对高速数字电路产生不良影响，但是，电路基板材料选择不当也会对高速数字电路的性能造成不良的影响。 随着数字电路运行速度的不断提升，如果选用一些通用FR-4基板材料加工这些电路时，会由于多种原因达不到最终性能要求。 高速数字电路印制板材料选择的主要指标包括有介电常数、损耗因素、以及介质厚度。另外，色散对于印制板材料而言，是一个同介电常数联系紧密的材料特征。所有印制板材料都会产生一定程度的色散，这是因为印制板材料的介电常数值都会随着频率而改变。 对于高速数字信号，如果印制板材料的介电常数对于不同频率的谐波成分呈现不同值，将导致谐波成分产生一定程度的损耗、甚至频率偏移，进而导致高速数字信号的性能下降。 罗杰斯公司提供的RO4003TM印制板基板材料，是陶瓷粉填充玻璃纤维增强的碳氢化合物层压板。10GHz时，该型号材料的纵向Dk为3.38，Df为0.0027。材料的Dk频率稳定性极好，其偏差小于0.05。 鉴于RO4003TM印制板基板材料稳定的Dk值，该材料已经应用于毫米波段内的宽带模拟电路、 以及运行速度达到25Gb/s的低失真高速数字电路。印刷电路天线基板材料选择 印刷电路天线的获得，是在一面或两面覆有铜箔、由介质材料所构成的层压板上制造而成。介质基板材料可能含有玻璃纤维、陶瓷粉、或其他填充材料，发挥改善电气和机械稳定性的作用。 如何为印刷电路天线选择合适的微波介质电路基板材料，设计者在理解电气性能、尺寸和重量等应用要求的基础上，必须重点关注基板材料的介电常数、 损耗、热膨胀系数等指标。简单来说，使用低介电常数的基板材料来制造印刷电路天线，通常意味着使用能够提供更高天线增益的低损耗材料，但是，低介电常数天线基板材料的选用，也会影响天线的尺寸。 罗杰斯公司荣誉产品之RT/duroid6002为PTFE复合介质基板材料，可在10GHz频率上提供2.940.04的相对介电常数和0.0012的损耗因素，其在Z轴方向上的低热膨胀系数值为24ppm/。尽管拥有优越的电气性能，选用该种基板材料制作的印刷电路天线尺寸，比选用具备较高介电常数基板材料的尺寸要大。 此外，罗杰斯公司的商用性基板材料RO3200系列，则是一种玻璃纤维编织布增强的低成本陶瓷粉填充基板材料，在10GHz频率上，可提供三种介电常数，分别为3.02、6.15、10.2，允许天线设计人员根据最终电路尺寸、以及性能等方面的考量，进行合理的选择。耐高温及抗氧化性强基板材料选择 随着现代汽车工业的快速发展，防碰撞、倒车雷达所用频率在24GHZ，为此，对于满足此要求的微波基板材料，必须接受长时间和高温氧化作用环境。对于传统微波基板材料而言，长时间的氧化会导致基板材料Dk和Df的微弱增长，为此，罗杰斯公司研发了RO4835微波基板材料，相较于传统的RO4350B，该材料的抗氧化性有了显著提升。材料性能对比见下表5。高导热基板材料选择 对于任意的微波印制电路板，热量都是由电路元器件所产生的，例如高功率晶体管，它遵循着一个常见的热量传递模式从热源流向印制电路板的散热器或冷却器。为此，微波介质电路基板材料的特性与印制电路板上的热量传递趋势、以及所形成的导热模式将密切相关。 随着移动基础设施需求的日渐增多，针对于使用的材料而言，印制板的低加工成本很重要，多层化设计也成为必须，才能确保实现提升能量和数据速率。 如此一来，增加的能耗和减小的空间，造成了4G技术更高的工作温度。对于微波复合介质电路基板材料，拥有更高的导热率，将有助于降低工作温度。为此，罗杰斯公司在原有基板材料基础上，新推出了几款高导热基板材料，见下表6。功分器和耦合器介质电路基板材料选择 功分器和耦合器是最常用的高频器件。微波介质电路基板材料的选择，对于这些器件功能的实现起着关键的作用。 和许多电路设计一样，对于介电常数的考量，通常是选择不同介质电路基板材料的出发点。对于类似功分器和耦合器的设计者，大都会倾向于选用高介电常数的微波介质电路基板材料。因为，此类型材料的选用，相对于低介电常数介质基板材料而言，可以在电路设计中实现更小尺寸的有效电磁耦合保持阻抗一致性，在实现功分器和耦合器特性时显得十分重要，而介电常数（影响阻抗因素之一）的变化会导致电磁能量和功率分配的不均匀。高介电常数电路基板材料的选用中，常存在一个问题：电路板中的介电常数出现各向异性、或者说在X、Y、Z方向上电路基板材料的介电常数值各不相同。 罗杰斯公司“独步天下”的TMM10i微波介质电路基板材料，具有优越各向同性特质，被广泛用于功分器和耦合器电路设计制造中。 这些基板材料具有相对高的介电常数值9.8，并且在X、Y、Z方向上保持9.80.245（10GHz）的水平。由此，在功分器和耦合器的传输线中，均一的阻抗特性可以使得器件中电磁能量的分配恒定且可测。 对于更高介电常数设计需求的微波介质电路基板材料，罗杰斯公司的TMM13i介质电路基板可供选择，该款材料具有12.85的介电常数，且在在X、Y、Z方向上的变化在0.35（10GHz）以内。 天线单元多层化需求基板材料选择 随着聚四氟乙烯介质基板多层化应用需求的日渐增多，对相应介质电路基板材料的热膨胀系数指标要求越来越高。 一方面，是XY方向的二维尺寸稳定性，以满足设计引出端位置精度要求；另一方面，是Z向的热膨胀影响，因为随着多层化数的提高，层间微波介质间的结合力要求也相应提高，加之金属化孔的质量及使用可靠性，使天线单元类微波多层板的实现变得更加困难.上表列出了三家公司满足设计电性能基本要求的微波介质基板材料，从中可看出，罗杰斯公司的RT/duroid5880、 DiClad880、以及泰康利公司的TLY-5A等三款材料，其Z向的热膨胀系数均较高，给对应基板材料加工后的微波多层印制电路板的金属化孔，抵抗温度冲击性带来了巨大的挑战。 随着罗杰斯公司有针对性空心球填充技术的运用，其开发出的RT/duroid5880LZ微波介质电路基板材料，其Z向的热膨胀系数有了大幅度的降低，从RT/duroid5880材料的237ppm/降低到了RT/duroid5880LZ材料的41ppm/，相比较于同款材料的XY向热膨胀系数相当。 因此，RT/duroid5880LZ微波介质电路基板材料值得拥有。无源互调需求基板材料选择 无源互调（PIM）是无源电路或元件内不希望出现的两个或多个信号的混合产物，它会产生多余的杂散或谐波信号。PTFE电路基板材料，通常是无线和滤波器等无源互调性能至关重要的无源元件的首要选择。随着罗杰斯公司不断研发的进行，证明其4000系列改性新型非PTFE介质电路基板材料的PIM性能同样优越。 例如，RO4725JXRTM和RO4730JXRTM介质电路基板材料，在运用于PCB天线时，其无源互调性能甚至优于-164dBc的水平。 RO4725JXRTM和RO4730JXRTM介质电路基板材料，性能指标对比详见下表8此外，无源互调性能有时也会受其他材料参数的影响，例如介电常数的温度系数（TCDk）。通常情况下， PTFE电路基板材料的TCDk很高。随着环境温度的变化，RO4725JXRTM和RO4730JXRTM介质电路基板材料的Dk值极为稳定，其TCDk值分别为+3