如何为毫米波及高多层板电路选择合适材料

如何为毫米波及高多层板电路选择合适材料毫米波（mmWave）频段的设计应用一度被认为是“不切实际”，或者在大家印象中是只有“军方”才能用得起的高大上的技术。但是，近年来随着第五代新型（5GNR）无线网络和77GHz汽车雷达的普及，毫米波应用也逐渐变得越来越普遍，毫米波频率信号完全可以通过高集成的印刷电路板（PCB）来进行传输。这种类型的PCB通常会采用多层结构，并且可以同时处理不同类型的信号，包括模拟、数字、RF和毫米波信号。毫米波电路设计工程师面临的主要问题是“集成化”和“小型化”，他们试图将尽可能多的功能设计到最小的PCB中。但是不同的电路功能对线路板材料的要求不尽相同，例如在毫米波频率下，能提供最佳性能的线路板材料可能不是电源电路最实用的解决方案。通常，对于具有多种电路功能的多层PCB，最实用的解决方案是通过三种或三种以上不同线路板材料组成的多层PCB来实现电路的全部功能。在选择线路板材料时，需要充分考虑它们的特性，尽可能地选择最佳的线路板材料，以便更好地匹配每种电路所需要实现的功能，例如：功率电路、高速数字、低频射频、微波以及高频毫米波电路等。在选择线路板材料时，首先考虑的通常是材料的电气参数，如：介电常数（Dk）和损耗因数（Df）或损耗角正切。其次，也需要根据电路的功能和层数，充分考虑线路板材料的机械特性。因为线路板材料的厚度等机械性能会影响传输线的尺寸和传输线之间的间距，从而影响多层板中高速数字、高频微波与毫米波电路的性能。第三，在设计和生产多层电路时，还必须考虑如何将这些不同的层压板组合互连起来。无论选择什么样的材料，包括线路板材料和粘接材料，都需要考虑好怎样更容易，更方便的将这些材料加工组合成为一个整体。微波电路工程师首先要了解线路板材料的特性对不同电路的性能会产生什么样的影响，才能更合理的将微带线、带状线和接地共面波导（GCPW）传输线等高频传输线与FR-4等低成本线路板材料相结合，组成多层板电路。但是，随着频率的增加，线路板材料的电气参数随频率的变化也需要考虑。如Dk和Df随着频率的增加，将对传输线的性能产生巨大的影响，如影响雷达脉冲的同步或调制通信信号的完整性等。线路板材料的机械特性，例如厚度和厚度的一致性，在射频微波频率下可能并没有那么重要。但是，随着信号频率攀升至毫米波范围，这些机械特性都会对电路性能产生影响。因此，在选择毫米波频率的线路板材料时，必须充分考虑这些因素的影响。在这么小的波长下，线路板材料表面导体的粗糙度也会影响电路性能，并导致相位响应和插入损耗的差异。同样，对于高速数字电路，也必须充分考虑选择适合的线路板材料来设计传输线，这样才能满足传输线的良好匹配（通常为50Ω或100Ω差分）、阻抗一致性以及传播特性，避免不必要的信号延迟和信号失真。而且必须在所有节点（包括PCB层之间）保持阻抗一致性，这就要求微孔的加工生产工艺具备高度的一致性。某些线路板材料的成分，特别是在毫米波频率下，可能更适合现代微加工技术（例如激光钻孔），以形成传输线互连所需的微孔。对高速数字电路和毫米波电路而言，保证微型通孔的距离最短，同时做到多层PCB层与层之间的精确对准，可以实现最低的损耗和最高的可靠性，即使在不同线路板材料之间进行互连时也是如此。为了实现并保持良好的层间对准以及层间的高可靠性微孔，需要具有优异机械稳定性的线路板材料。解决方案选择一般来说，自动驾驶汽车中的雷达系统和5G无线通信网络的毫米波电路的多功能多层印制电路板，都可以根据某些已经大规模商业应用的标准来进行设计和制造。现在的主流设计方案是采用更多层和更薄的电路，以适应小尺寸和轻重量的要求。实际这种需求在军用毫米波电路中较为常见，需要满足尺寸（Size）、重量（Weight）和功率（Power）的要求（统称为SWaP）。对于商用毫米波电路，其它需要考虑的设计指标还包括：更高的密度、在更小的电路上实现更多的功能、良好的温度稳定性、低吸湿性以及在苛刻工作环境中保持正常运行。因此，用于高速数字电路和毫米波电路的线路板材料通常在宽温度范围内需满足低Dk、低Df和稳定的Dk、稳定的Df。随着越来越多的毫米波电路采用多层PCB板，它们对线路板材料的需求也在不断增加，这些材料不仅要满足高频/高速电路的电气性能需求，而且还要满足多层电路的机械要求。这种多层PCB板通常是由线路层压板和粘结片（粘结材料）组成，从而实现将各层结合在一起的目的。对于更高频率的应用，例如，罗杰斯公司（RogersCorp.）的RO3003™线路板材料在毫米波频率实现了低损耗电路的特性。这种基于低Dk陶瓷填料的PTFE线路层压板在10GHz时的z轴（厚度方向）的Dk为3.00，在10GHz时的Df为0.0010；其厚度从0.005英寸（0.13毫米）到0.060英寸（1.52毫米）范围可选。RO3003™材料已被广泛用于77GHz的单层电路，并具有可靠的尺寸稳定性和温度特性，它用于多层PCB结构上表现出的性能也是十分可靠的。该材料在x和y轴上的热膨胀系数（CTE）与铜相同，约为17ppm/°C，可以实现多层PCB组件中的高尺寸稳定性。z轴CTE为25ppm/°C的特性为需要层与层之间设计微孔时，实现了稳定可靠的电镀通孔（PTH）。另外，它还具有0.04%的低吸湿性，适用于不同潮湿的工作环境。线路层压板铜箔表面的光滑度在较高的频率下尤其重要，因此罗杰斯公司（RogersCorp.）设计开发了RO3003G2™线路板材料。它是在原有的RO3003™层压板基础上优化了填料，降低了的介质的孔隙率和铜箔表面粗糙度。RO3003G2与RO3003具有几乎相同的介质Dk和Df值，但RO3003G2采用了更光滑的铜箔，因此在毫米波频率下的损耗更小一些。同时，RO3003G2继承了RO3003层压板在x-y平面上良好的热膨胀系数（CTE）性能，而且优化的填料系统使Z轴CTE值（18ppm/°C）更接近铜，具有非常可靠的金属化过孔（PTH）性能。材料厚度为0.005英寸（0.13毫米）和0.010英寸（0.25毫米）可选。当需要考虑机械稳定性以及更薄的线路板材料时,例如在尺寸和重量都必须最小化的多层PCB中，CLTE-MW™线路板材料正可以满足电路所需要的性能需求。CLTE-MW™材料采用开纤玻璃结构和低Dk陶瓷填料系统，具有优异的尺寸稳定性。它的厚度从0.003英寸（0.076毫米）到0.010英寸（0.25毫米）不等，可以满足不同信号的接地间距要求，同时还能最大程度地减小多层电路组件的尺寸和重量。对于不同的厚度，CLTE-MW™材料在10GHz时Z轴上Dk值范围为2.94至3.02。同时其具有良好的CTE性能和PTH可靠性，吸湿性也非常低，仅为0.03%，可以适应各种具有挑战性的工作环境。粘结材料和半固化片材料的作用不仅仅是将多层PCB电路中各层固定在一起，而且它们还会成为PCB的一部分。因此，需要根据其电气和机械性能以及粘结性能来选择。以罗杰斯公司的2929粘结材料为例，在加工多层PCB时，它可以同时兼容平压和高压粘结两种方法。2929粘结材料也可提供不同的厚度。其在10GHz时Z轴上的Dk值为2.94，同时具有0.003的低Df值，低Z轴膨胀系数可以确保电镀通孔的可靠性，并且能与含PTFE的线路板材料兼容，用于多层PCB板的牢固粘结。罗杰斯公司的SpeedWave™300P是一款完全符合RoHS标准的、可全程无铅装配的半固化片材料，它可以用于FR-4和含PTFE线路板材料（如CLTE-MW层压板）的加工工艺。这种半固化片材料具有3.0至3.3（取决于厚度）的低Dk和0.0019至0.0022的低Df值，具