高頻電路板選材及無源互調

隨著無線通信和寬帶網絡的發展，高頻電路板不再是簡單地在一些絕緣基板上鋪設金屬導線來實現互連。 在許多情況下，基板和金屬導體已成為功能組件的一部分。 特別是在射頻應用中，元器件與基板相互作用，因此高頻電路板的設計與制造對產品的功能影響越來越大。 如圖1所示，高頻電路板/微波板的典型部分，其上的導體都是元器件。

高頻線路板

我們高頻電路板廠家也更多的是涉及到設計相關的東西，尤其是高頻高速信號傳輸方面。 同樣，設計人員必須對高頻電路板的制造工藝有深刻的理解，才能全面生產出合格、高性能的高頻電路板。

從本期開始，我們將介紹一些人們經常接觸到的參數，做一些由淺入深的技術探討，希望能加深設計與制造之間的溝通與交流。

1.介電常數

介電常數（Dk，ε，Er）決定了電信號在介質中傳播的速度。 電信號傳播的速度與介電常數的平方根成反比。 介電常數越低，信號傳輸越快。 我們打個形象的比方，就像你在沙灘上跑步，水深沒過你的腳踝。 水的粘度就是介電常數。 水越粘稠，介電常數越高，跑得越慢。

高頻射頻電路板的介電常數不易測量或定義。 它不僅與介質本身的特性有關，還與試驗方法、試驗頻率、試驗前和試驗中的物質狀態有關。 介電常數也會隨著溫度的變化而變化，一些特殊材料在開發時會考慮溫度因素。 濕度也是影響介電常數的一個重要因素，因為水的介電常數是70，很少的水就會引起明顯的變化。

以下是一些典型材料的介電常數（在 1Mhz 時）：

可見對于高速高頻應用，最理想的材料是用銅箔包裹的空氣介質，厚度公差為+/- 0.00001”。作為材料開發，大家都在朝這個方向努力。對于 例如Arlon專利的Foamclad就非常適合基站天線的應用，但是并不是所有的高頻射頻線都設計成介電常數較小的，這往往是基于一些實際設計的。 體積往往需要高介電常數的材料，例如Arlon AR1000用于小型化線路設計，部分設計如下： 功率放大器，常用介電常數2.55（如Arlon DIClad 527、AD255等），或電介質 常數3.5（如AD350、25N/FR等），也有采用4.5介電常數的（如AD450），主要是從FR-4設計轉向高頻應用，希望繼續 調整以前的設計。

介電常數除了直接影響信號的傳輸速度外，還在很大程度上決定了特性阻抗。 在不同的部分，特性阻抗匹配在微波通信中尤為重要。 如果出現阻抗不匹配，阻抗不匹配也稱為VSWR（駐波比）。

CTEr：由于介電常數隨溫度變化，而高頻線路板微波應用所用材料往往在戶外，甚至太空環境中，因此CTEr（Coefficient of Thermal of Er）也是一個關鍵參數。 一些陶瓷粉末填充的聚四氟乙烯聚四氟乙烯可以具有非常好的特性，例如CLTE。

2. 損失，損耗角正切，Df，耗散因數

除介電常數外，損耗因子是影響材料電性能的重要參數。 介質損耗也稱為損耗角正切、損耗因數等，是指介質中信號的損耗，或稱能量損耗。 這是因為當高頻信號（它們在正負相位之間不斷變化）通過介電層時，介質中的分子試圖根據這些電磁信號進行定向，盡管實際上，因為這些分子是交聯的， 他們無法真正定位。 然而，頻率的變化使分子不斷運動，產生大量熱量，造成能量損失。 但有些材料，如PTFE聚四氟乙烯，是非極性的，所以不會受到電磁場的影響，所以損耗小。 同樣，損耗因子也與頻率和測試方法有關。 一般規則是頻率越高，損失越大。

最直觀的例子就是電能在傳輸中的消耗。 如果電路設計損耗小。 電池壽命可以顯著增加。 在接收信號時，天線對信號更加敏感，使用有損材料，信號更加清晰。

常用的FR4環氧樹脂（Dk4.5）極性比較強。 在1GHz時，損耗約為0.025，而PTFE聚四氟乙烯基材（Dk2.17）的損耗為0.0009。 與玻璃填充聚酰亞胺相比，石英填充聚酰亞胺不僅介電常數低，而且損耗低，因為硅含量純。

3.導熱性

在很多微波領域，都有很多大功率的應用。 材料的散熱特性可以極大地影響整個系統的可靠性。 因此，還應考慮導熱系數。 對于一些特殊的高可靠性和高功耗應用，也可以使用金屬襯里（鋁基或銅基）。

4. 可制造性

我們了解到PTFE聚四氟乙烯加工難度大，尤其是孔金屬化，需要等離子或萘鈉處理來提高其活性。 而且PTFE聚四氟乙烯是熱塑性材料，多層板的加工溫度高。 現在，已經開發出用于高頻電路的新型低損耗熱固性樹脂材料，可以加工無需等離子活化的多層電路板，如Arlon 25N/FR。 目前廣泛應用于LNA、PA和天線設計中。 吸濕性也是一個考慮因素。 應盡量選用吸濕性小的材料，使電氣特性更穩定。

5.熱膨脹系數（CTE）

高頻電路板的熱膨脹系數通常簡稱為CTE（CoefficientThermal Efficient），是材料重要的熱力學性能之一。 它是指材料受熱膨脹。 實際的材料膨脹指的是體積變化，但由于基材的特性，我們往往分別考慮平面（X-，Y-）和垂直方向（Z-）的膨脹。

平面熱膨脹往往可以通過增強層材料（如玻璃布、石英、Thermomount）來控制，而縱向膨脹在玻璃化轉變溫度以上總是難以控制。

平面 CTE 對于安裝高密度封裝非常重要。 如果將芯片（通常CTE為6-10ppm/C）安裝在常規PCB高頻板（CTE 18ppm/C）上，經過多次熱循環后，可能會導致焊點在應力作用下過度老化。 Z軸的CTE直接影響電鍍孔的可靠性，尤其是多層板。

一般PTFE聚四氟乙烯的CTE比較大。 很少用純PTFE聚四氟乙烯來做多層板。 常用陶瓷粉填充的聚四氟乙烯聚四氟乙烯。

它用于全球通信衛星。

6.無源互調（PIM）

射頻中高頻電路板的前端設計，如天線、濾波器等，需要無源互調，這也與高頻電路板的基材有關。 一些公司使用特定的銅箔將無源互調保持在一定范圍內。 下表為無無源互調要求的高頻電路板板材與有特定要求的高頻電路板板材PIM的區別。

無源互調原因

無源互調主要由無源非線性產生，通常有兩種：一種是金屬接觸引起的非線性，另一種是材料本身固有的非線性。 例如，同軸電纜和連接器通常被認為是線性的，但在大功率的情況下會表現出非線性效應。 電纜編織層的接觸、連接器的螺紋和其他金屬接頭確實存在輕微的非線性。 這些金屬觸點的每個表面都有一層由金屬氧化形成的薄絕緣層。 正是這種接觸非線性會產生低電平無源互調干擾，從而嚴重降低接收器的性能。

金屬接觸非線性的原因主要是接頭松動和腐蝕。 它的伏安特性是一條曲線。 具體主要機制如下：

(1)安裝工藝不良造成的非線性；

(2)與金屬接觸處大電流相關的非線性；

(3)與金屬表面污垢、金屬顆粒和碳化有關的非線性；

(4)通過金屬結構中的砂孔和微縫進行二次電子倍增效應；

(5)金屬接觸處通過薄氧化層（厚度小于50Ao）的電子隧道效應和半導體行為；

(6)強電流引起的金屬接觸面相對運動的熱循環。

線性和非線性之間沒有嚴格的限制。 金屬接觸通常被認為是線性的，但在高功率下表現出非線性效應。

非線性效應無法完全消除，只能盡可能減小。 

主要減排措施有：

(1)保持最小的熱循環，減少金屬材料膨脹壓縮引起的非線性接觸。

(2)盡量減少金屬觸點的數量。 例如，使用扼流圈連接或其他電介質連接來提供足夠的電流通道，以保持所有機械連接清潔和緊密。

(3)盡量避免在電流通道上使用調諧螺絲或金屬或金屬接觸運動部件。 如有必要，應將它們放置在低電流密度區域。

(4)改進材料的連接工藝。 確保連接可靠，盡量無間隙、無污染、無腐蝕。

(5)導電通道上的電流密度應保持較低。 比如接觸面積要大，導體塊要大。

由于無源互調問題的復雜性，難以建立大功率電路模型，因此一些非線性電路的分析方法無法使用。 然而，對于金屬接觸非線性，它可以用一個簡單的系統來表示。通過單個傳遞函數模擬整個金屬接觸非線性的產生過程，采用輸入輸出法進行分析，具體求解方法主要有冪級數法和Volterra級數法。 由于冪級數法具有使用簡單、計算速度快、易于實現等優點，本文采用該方法。

概括

高頻電路板微波材料的選擇主要取決于介電常數、損耗、熱膨脹系數和導熱系數。

低成本、低損耗、熱固性、高介電常數陶瓷填充 PTFE 聚四氟乙烯、低介電常數、低損耗、PTFE 聚四氟乙烯、CTER 穩定陶瓷填充 PTFE、低成本、商用 PTFE 聚四氟乙烯。 PCB制造商、PCB設計師和PCBA加工商將講解高頻PCB材料的選擇和無源互調。