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微波射频用印制板的选材和无源互调随着无线通讯和宽带网络的发展,PCB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所示的微波板的一个典型部分,上面的导体都是一个个元件我们PCB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,e,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,就好想你在海滩上跑步,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IMhz下:
1.0真空纯PTFE
2.1GY PTFE
2.2-
2.3GX-PTFE
2.55氟酸酯/玻璃
3.
22.8-
3.4氟酸酯/石英聚酰亚胺一石英
3.5-
3.8聚酰亚胺一玻璃
4.0-
4.6环氧树脂一玻璃(FR4)
4.4-
5.2无纺芳香胺(aramid)
3.8-
4.1芳香胺(织布)
3.8-
4.1陶瓷填充聚四氟乙烯
6.0-
10.2Foamclad Arion专利
1.15-
1.3水
70.0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Arion专利开发的Foamclad非常适合基站天线的应用但不是所有的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Arion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Arion 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,而微波应用的材料又常常在室外,甚至太空环境,所以CTEr(Coefficenc ofThermal ofEr,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能够有非常好的特性,如CLTEoNormalized DielectricConstant
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,它城®」山号山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,Temperature病虽然实际上,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Dk
4.5极性相对较强,在1GHz下,损耗约
0.025,而PTFE基材Dk
2.17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
3.热膨胀系数CTE热膨胀系数通常简写为CTECoeffecient ThermalEfficent,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-,丫-和垂直方向的膨胀Z-O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ONUX8PU_151Q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上CTE18ppm/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的CTE较大,用纯的PTFE制造多层板不太多见,常常采用陶瓷粉填充的PTFE如Arion公司的CLTE、LCCLTE等,最有代表性的应用是制造高达64层多层板。