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微波高频板选材与工艺控制要点研究四川超声目录1·不同印制板材料的DK/Df性能检测简介2·高频印制板材料的选择原则3·高频多层印制板设计加工要求4·高频印制板加工需要的特殊工艺管控非LowDkPCB基材Dk随测试频率的变化曲线示意图4.204.404.604.805.0010M50M100M300M500M1G2G3G5G7G10G测试频率DkNor.TgdicyFR-4MidTgPNFR-4withfillerHi.TgPNFR-4withoutfillerHi.TgPNFR-4withfiller1.1用共振腔法评估了10M-10GHz下的Dk/Df：常规材料非LowDkPCB基材Df随测试频率变化曲线示意图0.00000.00500.01000.01500.02000.025010M50M100M300M500M1G2G3G5G7G10G测试频率DfNor.TgdicyFR-4MidTgPNFR-4withfillerHi.TgPNFR-4withoutfillerHi.TgPNFR-4withfillerTg140FR-4Dk较小变化稳定；无填料板材较FR-4次之；有填料高Tg的Dk大变化较大；各种类型Df相似。实测常见FR-4基材Dk/Df随频率变化：不同频率DK有明显变化1.实验检测：Dk/Df评估测试结果1·常规的FR-4板料在不同频率时，DK波动较大，不满足高频信号的阻抗要求；2·无卤材料在介电常数的稳定性方面表现较好，可以满足第要求的高频信号要求；3·高频印制板材料的介质损耗较常规印制板材料有大幅减少，满足高频信号放大要求；2.0高频印制板材料的综合性能要求介电性能方面：该指标是高频料参数中影响射频信号的关键因素介质损耗Df：≤0.008是PCB基材介电性能的基础标杆。耐热及导热性能：常规Fr-4板材：Tg140-180；TD：310-330。导热系数：0.2-0.3W／m／K；微波高频材料：Tg170-350；TD：310-450导热系数：0.2-1.4W／m／K；机械性能方面：主要需考究层压变形、钻孔、外形机加、除胶流程等。生产成本方面：包括板材选择设计方案表面处理2.1高频材选材评估原则：5G到来，高频板料如何选择对高频类PCB板基材的选择、评估综合考虑下述四点要求：2.2高频材选材评估原则——损耗（1）损耗随着5G时代的到来：当电路设计的频段达到高频毫米波频段，预估和控制电路的损耗变得尤为重要。对于高频传输线及高频电路，插入损耗主要包括：介质损耗、导体损耗、辐射损耗和泄露损耗几个部分，是各种损耗成分的总和。了解这些成分对于电路的设计是非常有帮助的。然而，高频PCB材料一般具有较大的体电阻因此RF泄露损耗非常小，可以忽略。2.2高频材选材评估原则——损耗2（板材厚度选择）辐射损耗在50Ohm阻抗下微带线总的插入损耗随电路工作频率和厚度变化。为避免微带线出现不想要的模式（很大的辐射损耗），应根据所选DK选择厚度小于某值的板材。以4350B™为例，应选用1/80自由空间波长以下的厚度，以达到可以忽略的辐射损耗。但是薄介质由于线宽更窄，场强更高，会带来更大的导体损耗。铜箔的粗糙度对于导体损耗和等效介电常数的影响也更大，所以在追求更低损耗的应用中应选用更加光滑的铜箔。这一点我们将在后文给予介绍。当辐射损耗成为一个设计问题而不宜使用微带线电路时，GCPW传输线可以有效的降低辐射损耗。传输线的任何阻抗的失配通常都会伴随一定的能量辐射。在射频微波电路中阻抗失配是很常见的，这和电路的具体设计以及材料的Dk和厚度控制密切相关。选择Dk和厚度严格控制的材料可以将因为材料容差变化引起的失配降至最小，从而减小辐射损耗。2.2高频材选材评估原则——损耗（2）图1、DK3.66,1oz相同材料在不同厚度下微带线插入损耗及各组成部分的对比2.2高频材选材评估原则——铜箔粗糙度（1）通常在PCB基材加工过程中，铜箔表面会进行糙化处理以改善其和PCB介电材料的结合力。但粗糙的铜箔表面会导致更高的导体损耗，且随着频率的升高导体损耗将显著增加，这是由于电路的趋肤效应导致的。一般来说，当电路工作频率对应的趋肤深度小于或等于铜箔的表面粗糙度时，表面粗糙度的影响将变得非常显著。在毫米波频段，趋肤深度通常小于铜箔的表面粗糙度，如50GHz时的趋肤深度为0.30um。标准电解铜箔的表面粗糙度较高，2.2um，所呈现的颗粒状与轮廓更大和更深；而压延铜的铜箔表面粗糙度很小，0.3um，颗粒状和轮廓非常小；而反转处理铜箔介于两者之间，1.2um。2.2高频材选材评估原则——铜箔粗糙度（2）图2、1/2oz厚度下不同铜箔表面粗糙度比较2.2高频材选材评估原则——表面处理（1）电路加工过程的最终表面处理也会对电路的损耗带来影响，尤其是在高频毫米波频段。不同表面处理工艺的会对PCB的损耗产生不同影响，对宽带、高频微波电路更加明显。大部分PCB表面处理的导电性都比铜箔的导电性差。导电性越差产生的导体损耗越高，从而电路的插入损耗也越大。对于高频电路有许多不同的表面处理工艺可供选择，包括化学镍金(ENIG)、有机保焊膜(OSP)、化学镍钯金(ENIPIG)以及阻焊油墨等。例如，化学镍金ENIG就是在PCB铜导体表面通过化学置换的方法先镀上镍，然后在镀一层薄薄的金。通常ENIG的镍厚度是5um左右，金0.2um左右，金是非常好的良导体，但薄薄的一层金通常会在当元件焊接到PCB传输线或导线上时，被吸收到焊接点而消失。由于趋肤效应，在高频频段时电流将沿着导体的表面传输，电流将完全覆盖镍层和金层。由于镍的导电性比铜差，从而使用ENIG表面处理的电路会比使用裸铜的电路所表现的插入损耗大。RT/duriod®6002材料是罗杰斯公司应用于航空、卫星等的高可靠性材料，而RO3003™产品是与之特性基本相同的商用级材料。通过在5milRT/duriod6002压延铜的材料上使用不同的表面处理工艺制作的相同微带电路，测试比较了插入损耗特性，如图4。可以看到，ENIG具有最高的插入损耗，而有机保焊膜、化学沉银的插入损耗基本与裸铜相当。2.2高频材选材评估原则——表面处理（2）基于1/2oz压延铜5milRT/duriod®6002(RO3003™)材料不同表面处理工艺的插损比较2.2高频材选材评估原则——表面处理（3）上表反应了不同表面处理对信号影响：由于化学沉银的厚度仅为0.2um，OSP表面膜厚也为0.2-0.5um，与裸铜接近，对信号影响最小。但是，此类表面处理均不能满足印制板表面氧化问题，对印制板长期可靠性不利。高要求客户不能接受。军品微波高频板件对印制板表面要求：军品微波高频板基本采用镀金表面处理工艺。镀金工艺分为以下几种：1）化学镀金：又称化学沉镍金；镍厚3-5um，金厚0.05-0.1um；普遍用在焊接要求高，线路密度大的设计；2）化学镀厚金：一种是镀纯金（金含量99.99%），金厚0.5-2.0um；接地铜面一般选择0.5um；打线面2um；一种是镀镍金（金含量99.99%），金厚0.3-2.0um；接地铜面一般选择0.3um；打线面2um；镍一般要求低硬度亚光性对打线有利。3）镀水金：此类工艺由于金厚薄，无具体指标要求，近年基本被淘汰。2.2高频材选材评估原则——表面处理（4）GJB362B对关于金的表面涂层厚度要求金厚要求：不用于焊接的连接器插接区域≥1.3um；焊接区域≤0.46um；超声打线结合区域≥0.05um；热压打线结合区域≥0.8um；化学沉金（浸金）：0.05-0.23um；镍厚要求：板边连接器≥2.5um；防止形成铜锡合金的阻挡层≥5.0um；化学沉镍：2.5-5.0um；2.2高频材选材评估原则——热处理（1）热管理当高频/微波射频信号馈入PCB电路时，因电路本身和电路材料引起的损耗将不可避免地产生一定的热量。5G设备应用中不仅使用频率升高，设备也趋于小型化，势必产生更大的热量。处理好电路热管理及理解PCB的热特性有助于避免因高温导致的电路性能恶化和可靠性降低。热模型简单的表示电路的基本热模型及微带线的热流剖面模型如图5所示。在微带线电路中，顶部信号平面是电路发热源，底部接地平面是低温区域或散热平面，两平面之间填充介质材料。在热模型中，热量将从信号平面，通过材料转移到接地平面低温区域实现散热。虽然实际微带线电路的热量产生过程是复杂的，但对于简单的热模型，这样的假设是可以接受的。图中热流方程中的k是材料的热传导系统，A是发热源面积，L是材料厚度，(TH-TL)是上下面的温差。热流方程及热模型解释了选择导热系数高、厚度薄的电路材料可以实现更佳的散热和热量管理。2.2高频材选材评估原则——热处理（2）图5、电路的基本热模型左）图是基本的热流模型，右）图是微带线电路的热流剖面图模型2.2高频材选材评估原则——热处理（3）热管理设计者通常会从电路效率和损耗角度出发来评估温度上升情况，但是PCB介质作为热源最近的导热体却是对温升影响较大的部分。如图6，我们通过仿真可以发现，在常用的板材中，通过降低板材的Df值来降低温升的方法，没有选用更高导热率（TC）的方法有效。尽管在不同材料的介质损耗会最终影响电路的插入损耗，导致产生不同的热量，但相比较，材料的导热系数对于温度变化更为明显。对于相同导热系数值情况下，例如0.4W/m/K，介质损耗Df从0.001到0.004引起的温度上升仅约为0.22°C/W。然而，即使Df同为0.001的材料，导热系数0.2W/m/K到1.5W/m/K的变化却可引起温度降低0.82°C/W。如果电路的输入功率是50W，那么温度可降低约40°C。2.2高频材选材评估原则——热处理（4）图6、仿真计算温度上升随Tc和Df的变化2.2高频材选材评估原则——热处理（5）除材料的导热系数外，材料的其他的一些参数也对热量管理产生影响。为更好的了解PCB电路热性能相关的影响因素，表7展示了基于不同材料，不同材料厚度、损耗因子、导热系数、铜箔粗糙度以及插入损耗的电路的温度变化结果。该表为对比不同电路材料的热效应提供了参考。对比1号与2号电路，两者的差异是电路的厚度，因此PCB材料厚度的变化会导致温升的差异。厚度越薄，散热路径越短，相同条件下温升越低；对比2号与3号电路，两者的差异主要在不同铜箔粗糙度带来的插入损耗的不同。铜箔表面粗糙度越小，插入损耗越低，温升越小；电路4材料是FR-4，该材料基本不用在微波/毫米波波段。作为例子可以看到FR-4在多个方面存在不足，如高的介质损耗，导体损耗和较低的导热率，从而在相同电路下具有最高的插入损耗，导致温升显著增加。电路5是基于罗杰斯RT/duroid6035HTC材料，该材料具有高达1.44W/m/K的导热率，具有最好的导热特性，同时具有非常低的损耗因子，插入损耗最低，在相同输入功率下它的温升最低，非常适合于高功率微波应用。2.2高频材选材评估原则——热处理（6）图7、不同材料及厚度下热量测试的对比因此，对电路的热量管理要选择相对薄的电路材料，同时选择高导热率、铜箔表面光滑、低损耗因子等材料特性有利于降低微波毫米波频段下电路的发热情况。3.0高频材选材评估原则——多层设计（1）概述：5G技术不仅要更小型化的基站设备，天线的尺寸也要小型化。同时，将有源电路与天线相结合的有源天线系统(AAS)将作为即将到来的5G网络的重要组成部分。小型化的设计以及有源天线系统都要求电路更多的应用多层板的设计。3.1多层高频印制板材选材评估原则（1）Z轴膨胀系数Z轴热膨胀系数通常用于高频PCB板的热塑性材料是聚四氟乙烯（PTFE），可通过各种形式的填料如玻璃纤维或陶瓷材料加固增强。相比热固性材料，PTFE的热塑性材料通常有更好的电气性能，具有较小的电气损耗，但PTFE材料的Z轴热膨胀系数（CTE）都比铜高不少。在制作多层板时，当电路板经过高温时因材料与铜的热膨胀系数不同而发生不同的膨胀导致PTH（PlatedThroughHole）过孔的可靠性失效。选择低热膨胀系数