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小木蟲論壇-學術科研互動平臺 » 材料區(qū) » 材料綜合 » 電工材料 » 如何為毫米波及高多層板電路選擇合適材料
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[交流]
如何為毫米波及高多層板電路選擇合適材料
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毫米波（mmWave）頻段的設計應用一度被認為是“不切實際”，或者在大家印象中是只有“軍方”才能用得起的高大上的技術。但是，近年來隨著第五代新型（5G NR）無線網(wǎng)絡和77 GHz汽車雷達的普及，毫米波應用也逐漸變得越來越普遍，毫米波頻率信號完全可以通過高集成的印刷電路板（PCB）來進行傳輸。這種類型的PCB通常會采用多層結構，并且可以同時處理不同類型的信號，包括模擬、數(shù)字、RF和毫米波信號。毫米波電路設計工程師面臨的主要問題是“集成化”和“小型化”， 他們試圖將盡可能多的功能設計到最小的PCB中。但是不同的電路功能對線路板材料的要求不盡相同，例如在毫米波頻率下，能提供最佳性能的線路板材料可能不是電源電路最實用的解決方案。 通常，對于具有多種電路功能的多層PCB，最實用的解決方案是通過三種或三種以上不同線路板材料組成的多層PCB來實現(xiàn)電路的全部功能。在選擇線路板材料時，需要充分考慮它們的特性，盡可能地選擇最佳的線路板材料，以便更好地匹配每種電路所需要實現(xiàn)的功能，例如：功率電路、高速數(shù)字、低頻射頻、微波以及高頻毫米波電路等。在選擇線路板材料時，首先考慮的通常是材料的電氣參數(shù)，如：介電常數(shù)（Dk）和損耗因數(shù)（Df）或損耗角正切。其次，也需要根據(jù)電路的功能和層數(shù)，充分考慮線路板材料的機械特性。因為線路板材料的厚度等機械性能會影響傳輸線的尺寸和傳輸線之間的間距，從而影響多層板中高速數(shù)字、高頻微波與毫米波電路的性能。第三，在設計和生產(chǎn)多層電路時，還必須考慮如何將這些不同的層壓板組合互連起來。無論選擇什么樣的材料，包括線路板材料和粘接材料，都需要考慮好怎樣更容易，更方便的將這些材料加工組合成為一個整體。 微波電路工程師首先要了解線路板材料的特性對不同電路的性能會產(chǎn)生什么樣的影響，才能更合理的將微帶線、帶狀線和接地共面波導（GCPW）傳輸線等高頻傳輸線與FR-4等低成本線路板材料相結合，組成多層板電路。但是，隨著頻率的增加，線路板材料的電氣參數(shù)隨頻率的變化也需要考慮。如Dk和Df隨著頻率的增加，將對傳輸線的性能產(chǎn)生巨大的影響，如影響雷達脈沖的同步或調制通信信號的完整性等。 線路板材料的機械特性，例如厚度和厚度的一致性，在射頻微波頻率下可能并沒有那么重要。但是，隨著信號頻率攀升至毫米波范圍，這些機械特性都會對電路性能產(chǎn)生影響。因此，在選擇毫米波頻率的線路板材料時，必須充分考慮這些因素的影響。在這么小的波長下，線路板材料表面導體的粗糙度也會影響電路性能，并導致相位響應和插入損耗的差異。 同樣，對于高速數(shù)字電路，也必須充分考慮選擇適合的線路板材料來設計傳輸線，這樣才能滿足傳輸線的良好匹配（通常為50Ω或100Ω差分）、阻抗一致性以及傳播特性，避免不必要的信號延遲和信號失真。而且必須在所有節(jié)點（包括PCB層之間）保持阻抗一致性，這就要求微孔的加工生產(chǎn)工藝具備高度的一致性。某些線路板材料的成分，特別是在毫米波頻率下，可能更適合現(xiàn)代微加工技術（例如激光鉆孔），以形成傳輸線互連所需的微孔。對高速數(shù)字電路和毫米波電路而言，保證微型通孔的距離最短，同時做到多層PCB層與層之間的精確對準，可以實現(xiàn)最低的損耗和最高的可靠性，即使在不同線路板材料之間進行互連時也是如此。為了實現(xiàn)并保持良好的層間對準以及層間的高可靠性微孔，需要具有優(yōu)異機械穩(wěn)定性的線路板材料。 解決方案選擇 一般來說，自動駕駛汽車中的雷達系統(tǒng)和5G無線通信網(wǎng)絡的毫米波電路的多功能多層印制電路板，都可以根據(jù)某些已經(jīng)大規(guī)模商業(yè)應用的標準來進行設計和制造�，F(xiàn)在的主流設計方案是采用更多層和更薄的電路，以適應小尺寸和輕重量的要求。實際這種需求在軍用毫米波電路中較為常見，需要滿足尺寸（Size）、重量（Weight）和功率（Power）的要求（統(tǒng)稱為SWaP）。對于商用毫米波電路，其它需要考慮的設計指標還包括：更高的密度、在更小的電路上實現(xiàn)更多的功能、良好的溫度穩(wěn)定性、低吸濕性以及在苛刻工作環(huán)境中保持正常運行。因此，用于高速數(shù)字電路和毫米波電路的線路板材料通常在寬溫度范圍內(nèi)需滿足低Dk、低Df和穩(wěn)定的Dk、穩(wěn)定的Df。 隨著越來越多的毫米波電路采用多層PCB板，它們對線路板材料的需求也在不斷增加，這些材料不僅要滿足高頻/高速電路的電氣性能需求，而且還要滿足多層電路的機械要求。這種多層PCB板通常是由線路層壓板和粘結片（粘結材料）組成，從而實現(xiàn)將各層結合在一起的目的。對于更高頻率的應用，例如，羅杰斯公司（Rogers Corp.）的RO3003™線路板材料在毫米波頻率實現(xiàn)了低損耗電路的特性。這種基于低Dk陶瓷填料的PTFE線路層壓板在10 GHz時的z軸（厚度方向）的Dk為3.00，在10 GHz時的Df為0.0010；其厚度從0.005英寸（0.13毫米）到0.060英寸（1.52毫米）范圍可選。 RO3003™材料已被廣泛用于77GHz的單層電路，并具有可靠的尺寸穩(wěn)定性和溫度特性，它用于多層PCB結構上表現(xiàn)出的性能也是十分可靠的。該材料在x和y軸上的熱膨脹系數(shù)（CTE）與銅相同，約為17 ppm /°C，可以實現(xiàn)多層PCB組件中的高尺寸穩(wěn)定性。z軸CTE為25 ppm /°C的特性為需要層與層之間設計微孔時，實現(xiàn)了穩(wěn)定可靠的電鍍通孔（PTH）。另外，它還具有0.04%的低吸濕性，適用于不同潮濕的工作環(huán)境。 線路層壓板銅箔表面的光滑度在較高的頻率下尤其重要，因此羅杰斯公司（Rogers Corp.）設計開發(fā)了RO3003G2™線路板材料。它是在原有的RO3003™層壓板基礎上優(yōu)化了填料，降低了的介質的孔隙率和銅箔表面粗糙度。RO3003G2與RO3003具有幾乎相同的介質Dk和Df值，但RO3003G2采用了更光滑的銅箔，因此在毫米波頻率下的損耗更小一些。同時，RO3003G2繼承了RO3003層壓板在x-y平面上良好的熱膨脹系數(shù)（CTE）性能，而且優(yōu)化的填料系統(tǒng)使Z軸CTE值（18 ppm/°C）更接近銅，具有非�？煽康慕饘倩^孔（PTH）性能。材料厚度為0.005英寸（0.13毫米）和0.010英寸（0.25毫米）可選。 當需要考慮機械穩(wěn)定性以及更薄的線路板材料時,例如在尺寸和重量都必須最小化的多層PCB中，CLTE-MW™線路板材料正可以滿足電路所需要的性能需求。CLTE-MW™材料采用開纖玻璃結構和低Dk陶瓷填料系統(tǒng)，具有優(yōu)異的尺寸穩(wěn)定性。它的厚度從0.003英寸（0.076毫米）到0.010英寸（0.25毫米）不等，可以滿足不同信號的接地間距要求，同時還能最大程度地減小多層電路組件的尺寸和重量。對于不同的厚度，CLTE-MW™材料在10 GHz時Z軸上Dk值范圍為2.94至3.02。同時其具有良好的CTE性能和PTH可靠性，吸濕性也非常低，僅為0.03%，可以適應各種具有挑戰(zhàn)性的工作環(huán)境。 粘結材料和半固化片材料的作用不僅僅是將多層PCB電路中各層固定在一起，而且它們還會成為PCB的一部分。因此，需要根據(jù)其電氣和機械性能以及粘結性能來選擇。以羅杰斯公司的2929粘結材料為例，在加工多層PCB時，它可以同時兼容平壓和高壓粘結兩種方法。2929粘結材料也可提供不同的厚度。其在10 GHz時Z軸上的Dk值為2.94，同時具有0.003的低Df值，低Z軸膨脹系數(shù)可以確保電鍍通孔的可靠性，并且能與含PTFE的線路板材料兼容，用于多層PCB板的牢固粘結。 羅杰斯公司的SpeedWave™300P是一款完全符合RoHS標準的、可全程無鉛裝配的半固化片材料，它可以用于FR-4和含PTFE線路板材料（如CLTE-MW層壓板）的加工工藝。這種半固化片材料具有3.0至3.3（取決于厚度）的低Dk和0.0019至0.0022的低Df值，具有良好的流動性和填充特性，且Z軸膨脹率低，可獲得可靠的電鍍通孔。尤其是在高層數(shù)電路中，它可以提供多種開纖和標準的玻璃布配置，以及不同的樹脂含量組合，從而實現(xiàn)最佳的粘結效果。 隨著毫米波帶寬的日益普及，包含毫米波電路的多層PCB也將變得越來越普遍，其設計的層數(shù)越來越多，尺寸越來越小。選擇正確的線路板材料和半固化片材料，一切都會更加緊密的融合在一起。 轉自微波射頻網(wǎng) 京中電芯谷高頻器件產(chǎn)業(yè)技術研究院依托微波毫米波單片集成和模塊電路國家級重點實驗室，利用國內(nèi)領先、國際一流的工藝及測試平臺，為創(chuàng)業(yè)團隊提供孵化、投資、合作等服務。本公司公共技術服務平臺可提供半導體工藝加工，測試與分析表征（直流、微波、光電測試、芯片結構分析、熱特性分析），微組裝（芯片篩檢、裝架、模塊電路組裝等）三大類技術服務，設備先進，技術人員經(jīng)驗豐富，具備成熟的技術支撐。 了解詳情請關注微信公眾號 芯谷高頻 |
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tzynew2樓
2021-10-20 15:44
回復
sprdhc(金幣+1): 謝謝參與
o 發(fā)自小木蟲Android客戶端
longwave3樓
2021-10-20 17:01
回復
sprdhc(金幣+1): 謝謝參與
祝福 發(fā)自小木蟲Android客戶端
2021-10-20 17:13
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sprdhc(金幣+1): 謝謝參與
nono20095樓
2021-10-20 23:20
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sprdhc(金幣+1): 謝謝參與
。 發(fā)自小木蟲Android客戶端
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