隨著無(wú)線通訊和寬帶網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，高頻線路板已不再簡(jiǎn)簡(jiǎn)單單是在一些絕緣的基材上面布上金屬導(dǎo)線，實(shí)現(xiàn)互聯(lián)。在許許多多的情況下，基材和金屬導(dǎo)體已經(jīng)成為功能元件的一部分。尤其是在射頻應(yīng)用中，元件與基材相互作用，從而，高頻線路板的設(shè)計(jì)和制造越來(lái)越對(duì)產(chǎn)品的功能產(chǎn)生至關(guān)重要的影響。如圖1所示的高頻線路板/微波板的一個(gè)典型部分，上面的導(dǎo)體都是一個(gè)個(gè)元件。

　　我們高頻線路板制造者也更多的介入與設(shè)計(jì)相關(guān)的東西，尤其是到高頻，高速信號(hào)傳輸中更是如此。同樣設(shè)計(jì)者也必須對(duì)高頻線路板制造工藝有深入的了解，才能綜合生產(chǎn)出合格的，高性能的高頻線路板。

　　我們從這期開(kāi)始介紹一些大家經(jīng)常接觸的參數(shù)，由淺入深做一些技術(shù)探討，希望能夠加深設(shè)計(jì)與制造的溝通和交流。

　　1.介電常數(shù)

　　介電常數(shù)（Dk，ε，Er）決定了電信號(hào)在該介質(zhì)中傳播的速度。電信號(hào)傳播的速度與介電常數(shù)平方根成反比。介電常數(shù)越低，信號(hào)傳送速度越快。我們作個(gè)形象的比喻，就好像你在海灘上跑步，水深淹沒(méi)了你的腳踝，水的粘度就是介電常數(shù)，水越粘，代表介電常數(shù)越高，你跑的也越慢。

　　高頻射頻線路板材的介電常數(shù)并不是非常容易測(cè)量或定義，它不僅與介質(zhì)的本身特性有關(guān)，還與測(cè)試方法，測(cè)試頻率，測(cè)試前以及測(cè)試中的材料狀態(tài)有關(guān)。介電常數(shù)也會(huì)隨溫度的變化而變化，有些特別的材料在開(kāi)發(fā)中就考慮到溫度的因素。濕度也是影響介電常數(shù)的一個(gè)重要因素，因?yàn)樗慕殡姵?shù)是70，很少的水分，會(huì)引起顯著的變化。

　　以下是一些典型材料的介電常數(shù)（在1Mhz下）：

　　可以看出，對(duì)于高速、高頻應(yīng)用而言，最理想的材料是由銅箔包裹的空氣介質(zhì)，厚度允差在＋/－0.00001"。作為材料開(kāi)發(fā)，大家都在朝這個(gè)方向努力，如雅龍Arlon專利開(kāi)發(fā)的Foamclad非常適合基站天線的應(yīng)用。但不是所有的高頻射頻線路設(shè)計(jì)都是介電常數(shù)越小越好，它往往根據(jù)一些實(shí)際的設(shè)計(jì)而定，一些要求體積很小的線路，常常需要高介電常數(shù)的材料，如雅龍Arlon的AR1000用在小型化線路設(shè)計(jì)。有些設(shè)計(jì)如功放，常用介電常數(shù)2.55(如雅龍Arlon Diclad527，AD255等)，或者介電常數(shù)3.5（如AD350，25N/FR等）。也有采用4.5介電常數(shù)的，(如AD450)主要從FR-4設(shè)計(jì)改為高頻應(yīng)用，而希望沿用以前設(shè)計(jì)。

　　介電常數(shù)除了直接影響信號(hào)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(xiàn)阻抗不匹配的現(xiàn)象，阻抗不匹配也稱為VSWR(駐波比)。

　　CTEr:由于介電常數(shù)隨溫度變化，而高頻線路板的微波應(yīng)用的材料又常常在室外，甚至太空環(huán)境，所以CTEr(Coefficenc of Thermal of Er，介電常數(shù)隨溫度的變化系數(shù))也是一個(gè)關(guān)鍵的參數(shù)。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(shù)，損耗因子是影響材料電氣特性的重要參數(shù)。介電損耗也稱損耗正切，損耗因子等，它是指信號(hào)在介質(zhì)中丟失，也可以說(shuō)是能量的損耗。這是因?yàn)楦哳l信號(hào)(它們不停地在正負(fù)相位間變換)通過(guò)介質(zhì)層時(shí)，介質(zhì)中的分子試圖根據(jù)這些電磁信號(hào)進(jìn)行定向，雖然實(shí)際上，由于這些分子是交聯(lián)的，不能真正定向。但頻率的變化，使得分子不停地運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)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(huì)受電磁場(chǎng)的影響變化，損耗也就較小。同樣，損耗因子也跟頻率和測(cè)試方法有關(guān)，一般規(guī)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(shè)計(jì)損耗小。電池壽命可以明顯增加。在接收信號(hào)時(shí)，采用的損耗的材料，天線對(duì)信號(hào)的敏感度增加，信號(hào)更清晰。

　　常用的FR4環(huán)氧樹(shù)脂(Dk4.5)極性相對(duì)較強(qiáng)，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(shù)低，而且損耗也較低，，因?yàn)楣璧暮枯^純。

　　下圖為PTFE聚四氟乙烯的分子結(jié)構(gòu)圖，我們可以看到，它的結(jié)構(gòu)非常對(duì)稱，C-F鍵結(jié)合緊密，無(wú)極性基團(tuán)。故隨電磁場(chǎng)變化而搖擺的可能性很小，表現(xiàn)在電氣特性上就是損耗小。

　　3.導(dǎo)熱性

　　在許多微波領(lǐng)域，有較多是大功率的應(yīng)用，材料的散熱特性能在很大方面影響整個(gè)系統(tǒng)的可靠性。所以導(dǎo)熱系數(shù)也應(yīng)當(dāng)成為我們考慮的一個(gè)方面。有些特別的高可靠高功耗應(yīng)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?，F(xiàn)在也開(kāi)發(fā)出了新的低損耗熱固性樹(shù)脂材料用于高頻線路，可以加工多層線路板，而無(wú)需等離子體活化，如雅龍Arlon25N/FR。目前大量用于LNA，PA和天線設(shè)計(jì)中。吸潮性也是一個(gè)考慮因素，盡可能選用吸潮小的材料，電氣特性更加穩(wěn)定。

　　5.熱膨脹系數(shù)(CTE)

　　高頻線路板熱膨脹系數(shù)通常簡(jiǎn)寫(xiě)為CTE(Coeffecient Thermal Efficent)，它是材料的重要熱機(jī)械特性之一。指材料受熱的情況下膨脹的情況。實(shí)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?？梢酝ㄟ^(guò)增強(qiáng)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(zhuǎn)化溫度以上難以控制。

　　平面的CTE對(duì)于安裝高密度的封裝至關(guān)重要，如果芯片(通常CTE在6-10ppm/C)安裝在常規(guī)PCB高頻板上(CTE 18ppm/C)，通過(guò)多次的熱循環(huán)以后，可能造成焊點(diǎn)受力過(guò)度老化。而Z軸的CTE直接影響鍍孔的可靠性，尤其對(duì)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(jiàn)，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(yīng)用是制造高達(dá)30層多層線路板。

　　用于全球通信衛(wèi)星上。

　　6.無(wú)源交調(diào)(PIM)

　　高頻線路板在射頻的前端設(shè)計(jì)，如天線、濾波都對(duì)無(wú)源交調(diào)有所要求，這也與高頻線路板的基材相關(guān)。有些公司采用特定的銅箔，使得無(wú)源交調(diào)保持在一定的范圍。下表給出沒(méi)有無(wú)源交調(diào)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(qū)別。

　　無(wú)源互調(diào)產(chǎn)生于原因

　　無(wú)源互調(diào)主要由無(wú)源非線性產(chǎn)生，而無(wú)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(rèn)為是線性的，但是在大功率情況下，其非線性效應(yīng)顯示出來(lái)。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(gè)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(chǎn)生低電平無(wú)源互調(diào)干擾，這些干擾可使接收機(jī)的性能嚴(yán)重降低。

　　金屬接觸非線性產(chǎn)生的原因主要是連接處的松動(dòng)和腐蝕，其伏安特性是一條曲線，具體的主要機(jī)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(guān)的非線性;

　　3)與金屬表面污垢、金屬粒子和碳化有關(guān)的非線性;

　　4)通過(guò)金屬結(jié)構(gòu)中的砂眼和微狹縫的二次電子倍增效應(yīng);

　　5)穿過(guò)金屬接觸處薄氧化層(厚度小于50Ａｏ)的電子隧道效應(yīng)和半導(dǎo)體行為;

　　6)由強(qiáng)電流引起的金屬接觸面相對(duì)運(yùn)動(dòng)的熱循環(huán)。

　　線性和非線性沒(méi)有嚴(yán)格的界限，金屬接觸通常被認(rèn)為是線性的，但在大功率情況下表現(xiàn)出非線性效應(yīng)。

　　非線性效應(yīng)不能完全消除，只能盡量設(shè)法減小，主要的減小措施有：

　　1)保持最小的熱循環(huán)，減小金屬材料的膨脹和壓縮產(chǎn)生的非線性接觸。

　　2)使金屬接觸的數(shù)量最小。例如，使用扼流連接或其它電介質(zhì)連接，提供足夠的電流通道，保持所有的機(jī)械連接清潔、緊固。

　　3)在電流通道上盡可能避免使用調(diào)諧螺絲或金屬、金屬接觸的活動(dòng)部件。如果非用不可，應(yīng)將它們放在低電流密度區(qū)域。

　　4)提高材料的連接工藝。確保連接可靠，盡量做到無(wú)縫隙、無(wú)污染或無(wú)腐蝕。

　　5)導(dǎo)電通道上的電流密度應(yīng)保持低值。例如，接觸面積要大，導(dǎo)體塊要大。

　　由于無(wú)源互調(diào)問(wèn)題的復(fù)雜性，很難建立大功率電路模型，因而無(wú)法使用非線性電路的某些分析方法，但是對(duì)金屬接觸非線性來(lái)說(shuō)，可用如圖4所示的簡(jiǎn)單系統(tǒng)表示，其中Ｘ和Ｙ分別表示輸入和輸出信號(hào)(電流或電壓)，通過(guò)單個(gè)傳遞函數(shù)模擬整個(gè)金屬接觸非線性的產(chǎn)生過(guò)程，采用輸入輸出法分析，具體的求解方法主要有冪級(jí)數(shù)法和伏特拉級(jí)數(shù)法。由于冪級(jí)數(shù)法具有使用簡(jiǎn)單、計(jì)算速度快、容易實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)，所以本文采用這種方法。

　　小結(jié)

　　高頻線路板用的微波材料的選擇主要通過(guò)介電常數(shù)、損耗、熱膨脹系數(shù)、導(dǎo)熱性幾方面選擇。

　　低成本低損耗熱固性高介電常數(shù)陶瓷填充PTFE聚四氟乙烯低介電常數(shù)，低損耗PTFE聚四氟乙烯CTEr穩(wěn)定的陶瓷填充PTFE低成本商用PTFE聚四氟乙烯。