發布日期：2022-10-21 09:21:24 | 關注：2259
隨著無線通訊和寬帶網絡的發展，高頻線路板已不再簡簡單單是在一些絕緣的基材上面布上金屬導線，實現互聯。在許許多多的情況下，基材和金屬導體已經成為功能元件的一部分。尤其是在射頻應用中，元件與基材相互作用，從而，高頻線路板的設計和制造越來越對產品的功能產生至關重要的影響。如圖1所示的高頻線路板/微波板的一個典型部分，上面的導體都是一個個元件。
我們高頻線路板制造者也更多的介入與設計相關的東西，尤其是到高頻，高速信號傳輸中更是如此。同樣設計者也必須對高頻線路板制造工藝有深入的了解，才能綜合生產出合格的，高性能的高頻線路板。
我們從這期開始介紹一些大家經常接觸的參數，由淺入深做一些技術探討，希望能夠加深設計與制造的溝通和交流。
1.介電常數
介電常數（Dk，ε，Er）決定了電信號在該介質中傳播的速度。電信號傳播的速度與介電常數平方根成反比。介電常數越低，信號傳送速度越快。我們作個形象的比喻，就好像你在海灘上跑步，水深淹沒了你的腳踝，水的粘度就是介電常數，水越粘，代表介電常數越高，你跑的也越慢。
高頻射頻線路板材的介電常數并不是非常容易測量或定義，它不僅與介質的本身特性有關，還與測試方法，測試頻率，測試前以及測試中的材料狀態有關。介電常數也會隨溫度的變化而變化，有些特別的材料在開發中就考慮到溫度的因素。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，很少的水分，會引起顯著的變化。
以下是一些典型材料的介電常數（在1Mhz下）：
可以看出，對于高速、高頻應用而言，最理想的材料是由銅箔包裹的空氣介質，厚度允差在＋/－0.00001"。作為材料開發，大家都在朝這個方向努力，如雅龍Arlon專利開發的Foamclad非常適合基站天線的應用。但不是所有的高頻射頻線路設計都是介電常數越小越好，它往往根據一些實際的設計而定，一些要求體積很小的線路，常常需要高介電常數的材料，如雅龍Arlon的AR1000用在小型化線路設計。有些設計如功放，常用介電常數2.55(如雅龍Arlon Diclad527，AD255等)，或者介電常數3.5（如AD350，25N/FR等）。也有采用4.5介電常數的，(如AD450)主要從FR-4設計改為高頻應用，而希望沿用以前設計。
介電常數除了直接影響信號的傳輸速度以外，還在很大程度上決定特性阻抗，在不同的部分使得特性阻抗匹配在微波通信里尤為重要.如果出現阻抗不匹配的現象，阻抗不匹配也稱為VSWR(駐波比)。
CTEr:由于介電常數隨溫度變化，而高頻線路板的微波應用的材料又常常在室外，甚至太空環境，所以CTEr(Coefficenc of Thermal of Er，介電常數隨溫度的變化系數)也是一個關鍵的參數。一些陶瓷粉填充的PTFE聚四氟乙烯能夠有非常好的特性，如CLTE。
2.損耗因子（Loss，loss tangent，Df，Dissipation factor）
除了介電常數，損耗因子是影響材料電氣特性的重要參數。介電損耗也稱損耗正切，損耗因子等，它是指信號在介質中丟失，也可以說是能量的損耗。這是因為高頻信號(它們不停地在正負相位間變換)通過介質層時，介質中的分子試圖根據這些電磁信號進行定向，雖然實際上，由于這些分子是交聯的，不能真正定向。但頻率的變化，使得分子不停地運動，產生大量的熱，造成了能量的損耗。而有些材料，如PTFE聚四氟乙烯的分子是非極性的，所以不會受電磁場的影響變化，損耗也就較小。同樣，損耗因子也跟頻率和測試方法有關，一般規律是在頻率越高，損耗越大。
最直觀的例子是傳輸中電能的消耗。如果電路設計損耗小。電池壽命可以明顯增加。在接收信號時，采用的損耗的材料，天線對信號的敏感度增加，信號更清晰。
常用的FR4環氧樹脂(Dk4.5)極性相對較強，在1GHz下，損耗約0.025，而PTFE聚四氟乙烯基材(Dk2.17)在此條件下的損耗是0.0009。石英填充的聚酰亞胺與玻璃填充的聚酰亞胺相比，不僅介電常數低，而且損耗也較低，，因為硅的含量較純。
下圖為PTFE聚四氟乙烯的分子結構圖，我們可以看到，它的結構非常對稱，C-F鍵結合緊密，無極性基團。故隨電磁場變化而搖擺的可能性很小，表現在電氣特性上就是損耗小。
3.導熱性
在許多微波領域，有較多是大功率的應用，材料的散熱特性能在很大方面影響整個系統的可靠性。所以導熱系數也應當成為我們考慮的一個方面。有些特別的高可靠高功耗應用，還可以采用金屬襯(鋁基或銅基)。
4.可制造性
我們了解，PTFE聚四氟乙烯材料比較難于加工，尤其是孔金屬化，需要等離子體或萘鈉處理，提高它的活性，而且PTFE聚四氟乙烯是熱塑性材料，多層板加工要求溫度較高。現在也開發出了新的低損耗熱固性樹脂材料用于高頻線路，可以加工多層線路板，而無需等離子體活化，如雅龍Arlon25N/FR。目前大量用于LNA，PA和天線設計中。吸潮性也是一個考慮因素，盡可能選用吸潮小的材料，電氣特性更加穩定。
5.熱膨脹系數(CTE)
高頻線路板熱膨脹系數通常簡寫為CTE(Coeffecient Thermal Efficent)，它是材料的重要熱機械特性之一。指材料受熱的情況下膨脹的情況。實際的材料膨脹是指體積變化，但由于基材的特性，我們往往分別考慮平面(X-，Y-)和垂直方向的膨脹(Z-)。
平面的熱膨脹常常可以通過增強層材料加以控制，(如玻璃布，石英，Thermount)，而縱向的膨脹總是在玻璃轉化溫度以上難以控制。
平面的CTE對于安裝高密度的封裝至關重要，如果芯片(通常CTE在6-10ppm/C)安裝在常規PCB高頻板上(CTE 18ppm/C)，通過多次的熱循環以后，可能造成焊點受力過度老化。而Z軸的CTE直接影響鍍孔的可靠性，尤其對于多層板而言。
通常PTFE聚四氟乙烯的CTE較大，用純的PTFE聚四氟乙烯制造多層板不太多見，常常采用陶瓷粉填充的PTFE聚四氟乙烯。如雅龍Arlon公司的CLTE、LCCLTE等，最有代表性的應用是制造高達30層多層線路板。
用于全球通信衛星上。
6.無源交調(PIM)
高頻線路板在射頻的前端設計，如天線、濾波都對無源交調有所要求，這也與高頻線路板的基材相關。有些公司采用特定的銅箔，使得無源交調保持在一定的范圍。下表給出沒有無源交調要求的高頻線路板板材和有特定要求的高頻線路板板材PIM的區別。
無源互調產生于原因
無源互調主要由無源非線性產生，而無源非線性通常有兩種類型：一類是金屬接觸引起的非線性，另一類是材料本身的固有非線性。例如，同軸電纜和連接器通常被認為是線性的，但是在大功率情況下，其非線性效應顯示出來。在電纜編織物的接觸、連接器的絲扣和其它金屬接頭中，輕微的非線性的確存在。這些金屬接觸的每個表面都有金屬氧化形成的薄絕緣層，正是這種接觸非線性產生低電平無源互調干擾，這些干擾可使接收機的性能嚴重降低。
金屬接觸非線性產生的原因主要是連接處的松動和腐蝕，其伏安特性是一條曲線，具體的主要機理如下：
1)低劣的安裝工藝引起的非線性;
2)與金屬接觸處的大電流有關的非線性;
3)與金屬表面污垢、金屬粒子和碳化有關的非線性;
4)通過金屬結構中的砂眼和微狹縫的二次電子倍增效應;
5)穿過金屬接觸處薄氧化層(厚度小于50Ａｏ)的電子隧道效應和半導體行為;
6)由強電流引起的金屬接觸面相對運動的熱循環。
線性和非線性沒有嚴格的界限，金屬接觸通常被認為是線性的，但在大功率情況下表現出非線性效應。
非線性效應不能完全消除，只能盡量設法減小，主要的減小措施有：
1)保持最小的熱循環，減小金屬材料的膨脹和壓縮產生的非線性接觸。
2)使金屬接觸的數量最小。例如，使用扼流連接或其它電介質連接，提供足夠的電流通道，保持所有的機械連接清潔、緊固。
3)在電流通道上盡可能避免使用調諧螺絲或金屬、金屬接觸的活動部件。如果非用不可，應將它們放在低電流密度區域。
4)提高材料的連接工藝。確保連接可靠，盡量做到無縫隙、無污染或無腐蝕。
5)導電通道上的電流密度應保持低值。例如，接觸面積要大，導體塊要大。
由于無源互調問題的復雜性，很難建立大功率電路模型，因而無法使用非線性電路的某些分析方法，但是對金屬接觸非線性來說，可用如圖4所示的簡單系統表示，其中Ｘ和Ｙ分別表示輸入和輸出信號(電流或電壓)，通過單個傳遞函數模擬整個金屬接觸非線性的產生過程，采用輸入輸出法分析，具體的求解方法主要有冪級數法和伏特拉級數法。由于冪級數法具有使用簡單、計算速度快、容易實現等優點，所以本文采用這種方法。
小結
高頻線路板用的微波材料的選擇主要通過介電常數、損耗、熱膨脹系數、導熱性幾方面選擇。
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穩定的陶瓷填充PTFE低成本商用PTFE聚四氟乙烯。
