如何选择合适的RF层压板材

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我们知道技能方法会随着时间变得日益精湛,PCB射频微波电路板材料也是如此。通过不断的对原材料精心调配,从而实现层压板最佳的电气和机械性能。多年以来,很多不同的配方组合被开发用于制作高频线路板材料。通过这些努力,各种电路板材料应运而生,以适应应用范围更广的高频应用和更高的性能要求。
 
PTFE PK FR-4,高质OR低价的选择
 
对于线路层压板的用户来说,最熟悉的高频线路板材料莫过于聚四氟乙烯,也就是我们耳熟能详的PTFE。这是一种由碳和氟人工合成的热塑性含氟聚合物。它具有高分子量和低摩擦系数,通常用这种材料来形成“不粘”表面,这也是其广泛应用的主要原因。PTFE的介电常数(Dk)为2.1,在微波频率具有优异的介电性能。
 
PTFE作为微波线路层压板的“构造单元”材料已经有很长时间了。为了满足高频电路设计工程师的不同需求,它与其它原材料混合可以实现改变其电气和机械性能的目的。例如,在PTFE的电路材料加入增强的玻璃布可改善其机械稳定性。加入的玻璃布材料将提高线路板材料的介电常数值,而且还能减少材料的膨胀性能(材料膨胀系数是温度的函数),从而更好地匹配电路材料与其表面铜导体的热膨胀系数(CTE)。PTEE的层压板同样还可以使用陶瓷填料来获取更高介电常数值和微调材料其它属性,比如CTE值。
 
过去一段时间内,选择高频,薄膜电路的层压板材料几乎是电路设计工程师“非此即彼”的决定:用更低制造成本的FR-4电路材料或用更高性能(意味更高成本)的PTFE层压板(在高频情况下用氧化铝陶瓷基板厚膜电路)。FR-4实际通常指的是基于玻璃布纤维增强的阻燃环氧树脂的一系列电路材料。这种材料受大众欢迎归功于它的低成本,和易于电路加工的特性,但它在较高频率(通常约高于500MHz)下其电性能会严重恶化。因此很多电路设计工程师总结了一个自己的“截止频点”,低于这个频率就使用FR-4,反之高于这个截止频率就要使用PTFE的线路层压板。
 
虽然PTFE已经被大家广泛接受,并在高频电路应用中久负盛名,但是PTFE材料仅仅是当前可用的众多高频线路层压板“成员”之一,还有其它热塑性材料,例如聚苯醚(PPE),聚苯醚(PPO)环氧树脂;以及具有陶瓷填料的碳氢化合物热固性材料。一些高频和高速应用已经鼓励开发其它更具特色的线路层压板材料,例如用于柔性电路的液晶聚合物(LCP)材料和用于极高工作温度(大约+200°C)的聚醚醚酮(PEEK)热塑性材料。事实上,对于应用于微波频率的电路,线路板材料的可选种类似乎随着技术的提高而不断增加,但新的材料改进主要针对印刷电路板(PCB)的一些关键特性,包括介电常数(Dk),损耗因子(Df),热膨胀系数(CTE),介电常数热稳定系数(TCDk),热导率,吸水性和长期老化特性等。
 
组成成分比较
 
这些不同的高频材料的组成成分有什么区别呢?首先,值得注意的是,并不是所有的PTFE材料组成成分都是相同的。早期PTFE的层压板材料都是通过玻璃布增强来降低PTFE固有的热膨胀系数(CTE)。PTFE的线路层压板的性能进一步改进是在材料混合物中添加微纤维玻璃,如罗杰斯公司的RT/duroid 5880PTFE 玻璃纤维电路板。再者,通过添加特殊陶瓷材料作为填充料,又进一步改进了PTFE的层压板性能。它不但改变了原有的介电常数(Dk),而且还改变了材料的某些其它性质,以便其在制造PCB时更容易加工。
 
正如罗杰斯公司的RT/duroid 6002PTFE 陶瓷线路板材料,它是PTFE材料,但是它不含玻璃布纤维。通过添加特殊的陶瓷填料,这种PTFE材料的介电常数增加到了2.94,并具有高度一致性(在±0.04以内),同时还具有低Df(0.0012)和其Z轴方向CTE值非常接近铜的膨胀系数的特性,因此过孔可靠性更好。事实上,将陶瓷填料添加到PTFE的材料的过程中,可以进行“微调”材料最终介电常数值,这就使得这种PTFE的线路层压板可以配制出许多不同的介电常数值。
 
通过实验,发现陶瓷填料也可用于微调除PTFE之外的电路材料的介电常数值,例如罗杰斯公司的TMM系列的热固性碳氢化合物层压板材料。通过添加不同数量和类型的陶瓷填充料,TMM层压板可以获得从3至13的介电常数值。尽管这种树脂材料比PTFE的电路层压板更容易加工,但由于没有玻璃布增强,也会给电路加工带来一些其它方面的问题。为了克服这些挑战,罗杰斯公司推出了RO4350B线路板材料,这种材料也是基于陶瓷填料的碳氢化合物树脂,但它同时使用玻璃布增强。所以RO4350B碳氢化合物陶瓷材料具有很好的CTE和温度稳定性,同时还保持与碳氢(非PTFE)电路层压板相同的PCB易加工特性。
 
很多最新材料配方包括热固性碳氢化合物PPE和PPO的线路层压板,通常用玻璃布增强以改善其机械稳定性。正如前面提到的,这种材料具有独特的优点,例如更容易加工和改善的长期老化特性。 但是与基于PTFE的材料和陶瓷填充碳氢化合物层压板材料相比较,这些新材料的介电常数(Dk)值较低,并且介电损耗(Df)会随着频率的升高而急剧增加。
 
通过对不同配方的线路层压板材料进行抽样,大概可以总结出一些材料选择的差异。例如,材料是否添加玻璃布,是否有添加特殊陶瓷填料。在PTFE材料中添加特殊陶瓷填料有助于改善CTE和TCDk两个参数的性能;陶瓷填料的添加还能使PTFE的线路层压板的Dk值达到较大范围(大约从3到10之间)。没有陶瓷填充料,PTFE能实现更好的损耗特性(低Df),但是与陶瓷填充的材料相比,具有较差的CTE和TCDk性能。一般情况下,具有较高Dk值的PTFE线路层压板将表现出较高的Df值,并且随着Dk增加而各向异性更大。
 
用玻璃布增强的陶瓷填充的碳氢化合物线路层压板通常比PTFE材料具有更好的CTE,TCDk和热导率,但比PTFE的材料有更高的Df(意味更大的损耗)。PPE和PPO的线路材料通常比PTFE的线路有更高的Df值,与碳氢化合物材料在10GHz或更小的频率下的Df值大致相同。PPE和PPO线路板材料的具有一些特殊性能,如出色的长期老化特性,但它们比其它类型的高频线路层压板具有更高的吸水性。
 
对于高频电路设计工程师来说,现在线路层压板的选择比以往任何时候都更多,每一种都有其自身的优缺点。对于明确特定的应用需求后,通常可以加快和简化选择过程。