射频板材选材和无源互调

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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, ε,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1Mhz下):

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Arlon 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Arlon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Arlon 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 of Thermal of Er,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CLTE。

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,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(Dk4.5)极性相对较强,在1GHz下,损耗约0.025,而PTFE基材(Dk2.17)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CTE(Coeffecient Thermal Efficent),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-, Y-)和垂直方向的膨胀(Z-)。

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。

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(CTE 18ppm/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Arlon公司的CLTE、LCCLTE 等, 最有代表性的应用是制造高达64层多层板
用于全球通信卫星上。

4.导热性

在许多微波领域,有较多是大功率的应用,材料的散热特性能在很大方面影响整个系统的可靠性。所以导热系数也应当成为我们考虑的一个方面。有些特别的高可靠高功耗应用,还可以采用金属衬(铝基或铜基)。

5.可制造性

我们了解,PTFE材料比较难于加工,尤其是孔金属化,需要等离子体或萘钠处理,提高它的活性,而且PTFE是热塑性材料,多层板加工要求温度较高。 现在也开发出了新的低损耗热固性树脂材料用于高频线路,可以加工多层板,而无需等离子体活化, 如Arlon25N/FR。 目前大量用于LNA,PA 和天线设计中。吸潮性也是一个考虑因素,尽可能选用吸潮小的材料,电气特性更加稳定。

6.无源交调(PIM)

在射频的前端设计,如天线、滤波都对无源交调有所要求,这也与PCB的基材相关。有些公司采用特定的铜箔,使得无源交调保持在一定的范围。下表给出没有无源交调要求的板材和有特定要求的板材PIM的区别。

无源互调产生于原因

无源互调主要由无源非线性产生,而无源非线性通常有两种类型:一类是金属接触引起的非线性,另一类是材料本身的固有非线性。例如,同轴电缆和连接器通常被认为是线性的,但是在大功率情况下,其非线性效应显示出来。在电缆编织物的接触、连接器的丝扣和其它金属接头中,轻微的非线性的确存在。这些金属接触的每个表面都有金属氧化形成的薄绝缘层,正是这种接触非线性产生低电平无源互调干扰,这些干扰可使接收机的性能严重降低。

金属接触非线性产生的原因主要是连接处的松动和腐蚀,其伏安特性是一条曲线,具体的主要机理如下:

1) 穿过金属接触处薄氧化层(厚度小于50Ao)的电子隧道效应和半导体行为;
2) 通过金属结构中的砂眼和微狭缝的二次电子倍增效应;
3) 与金属表面污垢、金属粒子和碳化有关的非线性;
4) 与金属接触处的大电流有关的非线性;
5) 低劣的安装工艺引起的非线性;
6) 由强电流引起的金属接触面相对运动的热循环。
线性和非线性没有严格的界限,金属接触通常被认为是线性的,但在大功率情况下表现出非线性效应。

非线性效应不能完全消除,只能尽量设法减小,主要的减小措施有:

1) 使金属接触的数量最小。例如,使用扼流连接或其它电介质连接,提供足够的电流通道,保持所有的机械连接清洁、紧固。
2) 在电流通道上尽可能避免使用调谐螺丝或金属、 金属接触的活动部件。如果非用不可,应将它们放在低电流密度区域。
3) 提高材料的连接工艺。确保连接可靠,尽量做到无缝隙、无污染或无腐蚀。
4) 导电通道上的电流密度应保持低值。例如,接触面积要大,导体块要大。
5) 保持最小的热循环,减小金属材料的膨胀和压缩产生的非线性接触。

由于无源互调问题的复杂性,很难建立大功率电路模型,因而无法使用非线性电路的某些分析方法,但是对金属接触非线性来说,可用如图4所示的简单系统表示,其中X和Y分别表示输入和输出信号(电流或电压),通过单个传递函数模拟整个金属接触非线性的产生过程,采用输入输出法分析,具体的求解方法主要有幂级数法和伏特拉级数法。由于幂级数法具有使用简单、计算速度快、容易实现等优点,所以本文采用这种方法。

小结

微波材料的选择主要通过介电常数、损耗、热膨胀系数、导热性几方面选择。
低成本低损耗热固性 高介电常数陶瓷填充PTFE 低介电常数,低损耗PTFE CTEr稳定的陶瓷填充PTFE 低成本商用PTFE

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