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微波介电基板材料与杨维生的选择.pdf 7页

2021-03-28 20:29:01浏览: 141次 来源:网络整理 作者:佚名

第十六届中国复合铜箔层压技术·微波介质基材料与选择市场研讨会论文集杨卫生,彭延辉(南京电子科技大学,江苏南京21001 3))摘要:本文是关于微波复合电介质的关键词:微波;微波;介电材料;微波;介电;电路;材料;微波;介电材料;微波;介电材料;微波;介电材料,底物1引言随着现代信息技术的革命,数字电路已逐渐进入高速信息处理和高频信号传输的阶段,为了处理越来越多的数据,电子设备的频率越来越高。因此,根据为了满足传统的设计和制造要求,对微波介电电路基板材料的性能提出了新的要求。考虑到施加到印刷电路板上的信号必须使用高频这一事实,如何减少高频电路的传输损耗和信号延迟已经成为高频电路的设计和生产中的难题。在设计微波电路时,需要了解印刷电路板的质量,尤其是在为特定应用选择微波电路基板材料时。如今的微波电路设计人员比他们的前辈更快乐,因为有许多商业产品可以选择微波介电电路基板材料,这既有优点也有缺点。由于选项太多,选择过程变得很困难,因此许多设计人员首先将相对介电常数(Dk)作为关键的筛选参数。

研究表明,某些基本材料性能可能会导致印刷电路板中使用的介电电路基板的标称Dk值出现偏差。例如,产品数据表上列出的参数值基于特定的材料厚度和铜箔类型。但是,由不同材料供应商提供的同一产品通常具有不同的介电层厚度和铜箔厚度,并且介电常数会随介电层和铜箔的厚度而变化。实际上,即使铜箔的表面粗糙度也会影响Dk值。另外,随着设计水平的逐步提高,诸如微波介电电路基板材料的可加工性差异,金属化孔的质量和可靠性以及层间介电层的多层变形等因素将变得日益突出。给出微波电路设计的材料选择。来得更困惑。 -35-第十六届中国覆铜箔层压技术·市场研讨会论文集2微波介电线路板材料介绍在微波介电线路板的研究开发和市场化过程中,相关品牌推出了“林林宗宗”产品品牌。全球供应商,清单还在继续。但是,仔细研究基体材料的成分无非是树脂体系,玻璃纤维增​​强,陶瓷粉末改性等方面。主要分为以下几类:1)玻璃纤维增​​强聚四氟乙烯树脂系列; 2)陶瓷粉末填充的聚四氟乙烯树脂系列; 3)陶瓷粉末填充热固性树脂系列。 2. 1为了实现高速传输,玻璃纤维增​​强的聚四氟乙烯树脂系列对微波基板材料的电气特性有明确的要求。为了改善高速传输亚博登录主页 ,为了实现传输信号的低损耗和低延迟,必须选择介电常数和介电损耗角正切小的树脂基材料。

在所有树脂中,PTFE具有最小的介电常数和介电损耗角正切,并具有良好的高低温和耐老化性。它最适合用作微波复合电路基板材料,目前使用量最大。微波电路板制造基板材料。根据玻璃纤维增​​强方法,玻璃纤维增​​强聚四氟乙烯树脂系列微波复合介电电路基板可分为两类:短玻璃纤维增​​强和玻璃机织物增强。首先,短玻璃纤维增​​强材料是罗杰斯公司的专利产品。其产品主要包括RT / duroid5870和RT / duroid5870,其性能指标在下面的表1中显示。表1短玻璃纤维增​​强聚四氟乙烯树脂系列的性能表罗杰斯性能RT / duroid5880RT / duroid5870介电常数2. 2±0. 02 2. 33损耗因子0. 0009 0. 0012加固是世界上许多公司选择的方法。对于相关的性能指标,请在下面的表2中选择几个常见的供应商品牌。表2玻璃纤维增​​强聚四氟乙烯树脂的性能表Roger Steer Conley台州旺岭性能介电常数2. 4〜2. 6±0. 04 2. 20 2. 17 2. 2 2. 6损耗因子0. 0019 0. 0009 0.0009≤0. 001≤0. 001 2. 2陶瓷粉填充的聚四氟乙烯树脂系列微波和高速传输微波复合介电电路基板材料玻璃纤维增​​强,考虑到产品耐热性和其他性能指标的实现,通常是通过在聚四氟乙烯树脂体系中添加陶瓷粉末材料来实现的。

陶瓷粉末填充的聚四氟乙烯树脂系列微波复合介电电路基板的性能选自下表3中的几个常见供应商。 -36会议论文集-第十六届中国覆铜箔层压板技术市场研讨会论文表3陶瓷粉末填充PTFE树脂系列性能表Roger Stekly台州旺菱性能介电常数2. 94±0. 04 2. 94 2. 85 2. 94损耗因子0. 0012 0. 0012 0.0010≤0. 001 2. 3陶瓷粉末填充的热固性树脂系列微波和高速传输微波复合介电电路板在聚四氟乙烯树脂体系中,还有其他热固性树脂系列(通常与陶瓷粉末填充技术结合使用)作为介电基材。在性价比方面,它为民用通信市场带来了无线活力。陶瓷粉末填充的热固性树脂系列微波复合介电电路基板的性能选自下表4中的几个常见供应商品牌。表4陶瓷粉末填充热固性树脂系列性能表罗杰斯性能RO4003CRO4350B25G介电常数3. 38±0. 04±3. 48 0. 04 3. 38损耗因子0. 0027 0. 0037 [k6 [ 0027 3微波介电电路基板的选择要求选择微波介电电路基板时应考虑的因素通常包括:电性能,温度稳定性,频率稳定性和热膨胀系数。电气性能要求是微波电路设计的基础亚博app安全有保障 ,此处未显示。温度稳定性是指介电常数随温度变化的稳定性程度。

在设计对温度变化更敏感的电路(例如带通滤波器,压控振荡器和天线)时,随温度变化很大的材料会引起很多问题。通常根据IPC-TM-650 2. 5. 5. 5通过测量由这种材料制成的微带线谐振器来测量材料的温度稳定性。在-50℃至150℃的温度下循环三遍,以消除聚四氟乙烯材料中经常出现的内部应力和滞后现象。频率稳定性是指介电常数随频率变化的程度。该指标基于IPC-650 2. 5. 5. 5. 1,测量范围为500MHz至10GHz。高频介电板的介电常数变化很小,从500MHz到10GHz仅1%。聚四氟乙烯材料在该频率范围内为0. 5%,而FR4材料的变化相当大,从500MHZ到8GHz下降了7%。热膨胀系数是材料随温度变化的机械性能的量度。 IPC-TM-650 2. 4. 2 4.指定电路板CTE的测量方法。随着温度的变化,电介质板在X,Y和Z方向上的尺寸将略有变化。其中,Z轴方向的变化更为关键,因为它直接影响金属化孔的可靠性。尺寸变化将导致金属化孔破裂。当温度低时,厚度的热膨胀基本上线性变化。当温度上升到一定值时,厚度会急剧变化。该温度称为介电材料的玻璃化转变温度Tg。

对于环氧板,玻璃化转变温度Tg值非常重要。高频板的Tg值都较高,例如ROGERS板一般都高于280℃。 CTE和Tg都会影响金属化孔的可靠性。设计人员了解介电板的Tg温度以下和以上的CTE值,以便更好地确定材料是否可以满足设计温度要求。 -37-第十六届中国覆铜箔层压板技术与市场会议论文集微波介电电路基板材料的选择,除上述介电性能外,还应考虑表面铜箔的类型和厚度,以及环境适应性,可加工性等因素,当然也存在成本问题。 4微波介电电路基板材料的选择符合通信市场的新兴需求。微波介电电路基板材料的应用日益增加。以下将重点介绍选择中心,并简要描述一个或两个。 4. 1高速数字电路基板的材料选择随着诸如微处理器和信号转换器之类的组件的每秒数十亿次的运行速度,数字电路继续达到更高的运行速度。尽管诸如传输线阻抗的不连续和多层印刷板的金属化孔的缺陷等因素会对高速数字电路产生不利影响,但电路基板材料的选择不当也会产生不利影响。高速数字电路的性能。随着数字电路的运行速度不断提高,如果使用某些通用FR-4基板材料来处理这些电路,由于各种原因,最终性能要求将无法满足。高速数字电路印制板材料选择的主要指标包括介电常数,损耗因子和介电厚度。

此外,对于印制板材料,色散是与介电常数密切相关的材料特性。所有印制板材料都会产生一定程度的色散,因为印制板材料的介电常数值会随频率变化。对于高速数字信号,如果印制板材料的介电常数对于不同频率的谐波分量表现出不同的值,将导致一定程度的谐波分量损耗,甚至频率偏差,从而引起高速数字信号的性能下降。罗杰斯公司(Rogers Corporation)提供的RO4003TM印刷板基材材料是填充陶瓷粉末的玻璃纤维增​​强烃层压板。在10GHz时,此模型材料的纵向Dk为3. 38,而Df为0. 0027。该材料的Dk频率稳定性极好,其偏差小于±0. 05。鉴于RO4003TM印刷电路板基板材料的Dk值稳定,该材料已应用于毫米波段的宽带模拟电路以及工作速度高达25Gb / s的低失真高速数字电路。 4. 2印刷电路天线基板材料的选择印刷电路天线是通过制造层压板制成的,该层压板由在一侧或两侧覆盖有铜箔的介电材料组成。介电衬底材料可以包含玻璃纤维,陶瓷粉末或其他填充材料以改善电和机械稳定性。如何选择适用于印刷电路天线的微波介电电路基板材料,设计人员必须在了解电气性能,尺寸和重量等应用要求的基础上,着重研究基板材料的介电常数,损耗,热膨胀系数和其他指标。

简而言之,使用低介电常数的基板材料来制造印刷电路天线通常意味着使用可以提供更高天线增益的低损耗材料。但是,用于低介电常数天线的基板材料的选择也会影响天线的尺寸。罗杰斯公司的荣誉产品RT / duroid 6002是PTFE复合介质衬底材料,在10GHz的频率下,其相对介电常数为2. 94±0. 04,损耗因子为0. 0012。沿Z轴方向。上述低热膨胀系数的值为24ppm /℃。尽管具有优异的电性能,但是由这种基板材料制成的印刷电路天线的尺寸大于介电常数较高的基板材料的尺寸。此外,罗杰斯(Rogers)的商用基材RO3200系列是一种低组分增强玻璃纤维机织织物。这种填充了陶瓷粉末的基板材料的工作频率为10GHz。就频率而言,可以使用三种介电常数,即3. 02,6. 15和1 0. 2,从而使天线设计人员可以根据最终电路尺寸和性能考量做出合理的选择。 4. 3耐高温和抗氧化性强的基材的选择随着现代汽车工业的迅猛发展,防撞和倒车雷达的频率为24GHZ。因此,对于满足此要求的微波基板材料,必须接受长期高温氧化环境。

对于传统的微波基板材料,长期氧化会导致基板材料Dk和Df略有增加。因此,Rogers开发了RO4835微波基板材料,该材料比传统的RO4350B更耐氧化。性别明显改善。材料性能比较示于下表5中。表5耐高温抗氧化基材RO4835 RO4835(新产品)RO4350B(旧产品)Dk @ 10GHZ±0. 05 3. 48±3. 48 0. 05Df 0. 0037 @ 10GHZ 0. 0037 @ 10GHZ热膨胀系数(X / Y / Z)11/9/2614/16/35吸水率0. 05%0. 06%导热系数0. 56 0. 62 4. 4高导热电导性基材的材料选择对于任何微波印刷电路板,热量都是由电路组件(例如大功率晶体管)产生的,这些组件遵循通用的传热模式-从热源到散热器或印刷电路板。凉爽。因此,微波介质电路基板的材料特性与印刷基板上的传热趋势和所形成的导热图案密切相关。随着对移动基础设施需求的增长,印制板的低处理成本对于所用的材料非常重要,多层设计已成为确保可提高能量和数据速率的必要条件。结果,增加的能量消耗和减小的空间导致4G技术的工作温度更高。对于微波复合介电电路基板材料,具有较高的导热系数将有助于降低工作温度。

出于这个原因微波基板介质,罗杰斯(Rogers)在原始基板材料的基础上引入了几种新的高导热率基板材料,如下表6所示。表6高导热率衬底材料衬底模型DkDf @ 10GHZ导热率W / m·KRT / duroid6035HTC±0. 05 3. 50 0. 0012 1. 40RO3235HTC±0. 05 3. 50 0. 0017 1. 14RO3006HTC±0. 15 6. 15 0. 0015 1. 75 4. 5功率分配器和耦合器介质基板材料的选择功率分配器和耦合器是最常用的高频设备。微波介电电路基板材料的选择在实现这些设备的功能中起着关键作用。像许多电路设计一样,介电常数的考虑通常是选择不同介电电路基板材料的起点。对于类似功率分配器和耦合器的设计人员,大多数人倾向于选择高介电常数的微波介电电路基板材料。因为,与低介电常数介电衬底材料相比,选择这种类型的材料可以在电路设计中实现更小的尺寸和有效的电磁耦合。 -39-第十六届中国覆铜板层压技术·市场研讨会论文集在实现分压器和耦合器的特性以及介电常数(影响阻抗系数的一)中的变化会导致不均匀)时,保持阻抗一致性非常重要电磁能量和功率的分布在选择高介电常数的电路基板材料时,通常会遇到一个问题:电路板上的介电常数是各向异性的,或者电路在X,Y和Z方向上。基材的常数值不同。

罗杰斯的TMM10i微波介电电路基板材料是“世界上无与伦比”的,具有各向同性的优异特性,被广泛用于功率分配器和耦合器电路的设计和制造中。这些基板材料具有相对较高的介电常数9. 8,并在X,Y和Z方向上保持9. 8±0. 245(10GHz)的水平。因此,在功率分配器和耦合器的传输线中,均匀的阻抗特性可以使装置中的电磁能的分布恒定且可测量。对于具有更高介电常数设计要求的微波介电电路基板材料,可以使用Rogers的TMM13i介电电路基板。该材料的介电常数为1 2. 85,并且在X,Y和Z方向上变化在±0. 35(10GHz)之内。 4. 6用于多层天线单元要求的基板材料的选择随着对多层PTFE介电基板的应用需求的增加,对相应介电电路基板材料的热膨胀系数的要求也越来越高。一方面,满足设计端子位置的精度要求是在XY方向上的二维尺寸稳定性。另一方面,它是Z方向的热膨胀,因为随着层数的增加,层间微波介质的组合功率需求相应增加微波基板介质,金属化孔的质量和可靠性使得实现天线单元型微波多层板比较困难。表7:天线单元的多层要求。基板材料2. 17±1. 96 0. 04Df 0. 0009上表列出了满足三家公司电气性能设计基本要求的微波电介质基板材料,可以看出,罗杰斯的RT / duroid5880,DiClad 880和Taikangli的TLY-5A等三种材料,在Z方向的热膨胀系数相对较高,这使微波多层印刷电路板的金属经过相应的基材材料加工后的电阻对毛孔的温度冲击带来了巨大的挑战。

通过使用Rogers的定向空心球填充技术,Rogers开发的RT / duroid5880LZ微波介电电路基板材料极大地降低了Z方向的热膨胀系数,将RT / duroid5880材料的237ppm /℃降低了RT / duroid5880LZ材料达到41ppm /℃,相当于同一材料在XY方向的热膨胀系数。因此,RT / duroid5880LZ微波介电电路基板材料值得拥有。 4. 7无源互调要求基板材料选择无源互调(PIM)是两个或多个信号的混合产物,这在无源电路或组件中是不希望有的,会产生有害的杂散或谐波信号。在第16届中国覆铜箔层压板技术和市场研讨会的-40-过程中,PTFE电路板材料通常是无源组件的首选电竞竞猜 ,在这些组件中,无源互调性能(如无线和滤波器)至关重要。随着罗杰斯的不断研究和开发,证明了其4000系列改性新型非PTFE介电电路基板材料的PIM性能也很优越。例如,RO4725JXRTM和RO4730JXRTM介电电路基板材料在PCB天线中使用时,其无源互调性能甚至优于-164dBc。对于RO4725JXRTM和RO4730JXRTM介电电路基板材料,性能指标比较如下表8所示。

TMTM表8无源互调衬底材料RO4725JXR和RO4730JXR衬底模型介电常数损耗因子组成TM RO4725JXR 2. 55±TM RO4730JXR 3. 00±此外,无源互调性能有时会受到其他材料的影响参数的影响,例如介电常数(TCDk)的温度系数。通常情况下,PTFE电路板材料的TCDk非常高。随着环境温度的变化,RO4725JXRTM和RO4730JXRTM介电电路基板材料的Dk值极为稳定,其TCDk值分别为+34和+32 ppm /℃,表明它们的电性能可以在很宽的范围内保持稳定温度范围。而且对PIM性能的可能影响很小。简而言之,无论是基站,其他无线天线还是其他无源组件(耦合器和滤波器),都必须将PIM保持在最低水平,以确保系统保持最高质量的语音,数据和视频通信。因此,无论电路多么精细,微波介电电路基板的设计和材料的选择都在很大程度上决定了最终可以实现的PIM。 5结束语随着国家对微波介质电路基板关键性发展政策的不断深化,再加上雷达等现代通信技术的迅猛发展,为微波介质电路基板的未来研发带来了新的发展机遇。然而,面对不断出现的设计要求以及许多全球供应商提供的微波介电电路基板材料,如何选择将是设计人员的客观选择。参考文献[1]杨维生雷达多层微波集成底板的制造工艺研究[J]。现代雷达,2011,10:77-8 0. [2]杨维生多层微波电介质衬底实现技术研究[J]。印刷电路信息,2011,5:96-10 1. -41-

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