G高频板件材料选择与多层板设计要求优质PPT课件

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,5G高频板件材料选择与多层板设计要求,目录,1,不同印制板材料的,DK/Df,性能检测简介,2,高频印制板材料的选择原则,3,高频多层印制板设计加工要求,4,高频印制板加工需要的特殊工艺管控,测试结果,1,常规的,FR-4,板料在不同频率时，,DK,波动较大，不满足高频信号的阻抗要求；,2,无卤材料在介电常数的稳定性方面表现较好，可以满足第要求的高频信号要求；,3,高频印制板材料的介质损耗较常规印制板材料有大幅减少，满足高频信号放大要求；,2.0,高频印制板材料的综合性能要求,介电性能方面：,该指标,是高频料参数中影响射频信号的关键因素,介质损耗,Df,：,0.008,是,PCB,基材介电性能的基础标杆。,耐热及导热性能：,常规,Fr-4,板材：,Tg140-180,；,TD,：,310-330,。,导热系数：,0.2-0.3W,m,K,；,微波高频材料：,Tg170-350,；,TD,：,310-450,导热系数：,0.2-1.4W,m,K,；,机械性能方面：,主要需考究层压变形、钻孔、外形机加,、,除胶流程等,。,生产成本方面：包括,板材选择 设计方案 表面处理,2.1,高频材选材评估原则：,5G,到来，高频板料如何选择,对高频类,PCB,板基材的选择、评估综合考虑下述四点要求：,2.2,高频材选材评估原则,损耗（,1,）,损耗,随着,5G,时代的到来：当电路设计的频段达到高频毫米波频段，预估和控制电路的损耗变得尤为重要。,对于高频传输线及高频电路，插入损耗主要包括：,介质损耗、导体损耗、辐射损耗和泄露损耗几个部分，是各种损耗成分的总和。,了解这些成分对于电路的设计是非常有帮助的。然而，高频,PCB,材料一般具有较大的体电阻因此,RF,泄露损耗非常小，可以忽略。,2.2,高频材选材评估原则,损耗,2,（板材厚度选择）,辐射损耗,在,50Ohm,阻抗下微带线总的插入损耗随电路工作频率和厚度变化。为避免微带线出现不想要的模式（很大的辐射损耗），应根据所选,DK,选择厚度小于某值的板材。,以,4350B,为例，应选用,1/80,自由空间波长以下的厚度，以达到可以忽略的辐射损耗。但是薄介质由于线宽更窄，场强更高，会带来更大的导体损耗。,铜箔的粗糙度对于导体损耗和等效介电常数的影响也更大，所以在追求更低损耗的应用中应选用更加光滑的铜箔。,这一点我们将在后文给予介绍。当辐射损耗成为一个设计问题而不宜使用微带线电路时，,GCPW,传输线可以有效的降低辐射损耗。,传输线的任何阻抗的失配通常都会伴随一定的能量辐射。在射频微波电路中阻抗失配是很常见的，这和电路的具体设计以及材料的,Dk,和厚度控制密切相关。,选择,Dk,和厚度严格控制的材料可以将因为材料容差变化引起的失配降至最小，从而减小辐射损耗。,2.2,高频材选材评估原则,损耗（,2,）,图,1,、,DK 3.66,1oz,相同材料在不同厚度下微带线插入损耗及各组成部分的对比,2.2,高频材选材评估原则,铜箔粗糙度,（,1,）,通常在,PCB,基材加工过程中，铜箔表面会进行糙化处理以改善其和,PCB,介电材料的结合力。但粗糙的铜箔表面会导致更高的导体损耗，且随着频率的升高导体损耗将显著增加，这是由于电路的趋肤效应导致的。一般来说，当电路工作频率对应的趋肤深度小于或等于铜箔的表面粗糙度时，表面粗糙度的影响将变得非常显著。在毫米波频段，趋肤深度通常小于铜箔的表面粗糙度，如,50GHz,时的趋肤深度为,0.30um,。,标准电解铜箔的表面粗糙度较高，,2.2um,，所呈现的颗粒状与轮廓更大和更深；而压延铜的铜箔表面粗糙度很小，,0.3um,，颗粒状和轮廓非常小；而反转处理铜箔介于两者之间，,1.2um,。,2.2,高频材选材评估原则,铜箔粗糙度,（,2,）,图,2,、,1/2oz,厚度下不同铜箔表面粗糙度比较,2.2,高频材选材评估原则,表面处理,（,1,）,电路加工过程的最终表面处理也会对电路的损耗带来影响，尤其是在高频毫米波频段。不同表面处理工艺的会对,PCB,的损耗产生不同影响，对宽带、高频微波电路更加明显。大部分,PCB,表面处理的导电性都比铜箔的导电性差。导电性越差产生的导体损耗越高，从而电路的插入损耗也越大。,对于高频电路有许多不同的表面处理工艺可供选择，包括化学镍金,(ENIG),、有机保焊膜,(OSP),、化学镍钯金,(ENIPIG),以及阻焊油墨等。例如，化学镍金,ENIG,就是在,PCB,铜导体表面通过化学置换的方法先镀上镍，然后在镀一层薄薄的金。通常,ENIG,的镍厚度是,5um,左右，金,0.2um,左右，金是非常好的良导体，但薄薄的一层金通常会在当元件焊接到,PCB,传输线或导线上时，被吸收到焊接点而消失。,由于趋肤效应，在高频频段时电流将沿着导体的表面传输，电流将完全覆盖镍层和金层。由于镍的导电性比铜差，从而使用,ENIG,表面处理的电路会比使用裸铜的电路所表现的插入损耗大。,RT/duriod6002,材料是罗杰斯公司应用于航空、卫星等的高可靠性材料，而,RO3003,产品是与之特性基本相同的商用级材料。通过在,5mil RT/duriod 6002,压延铜的材料上使用不同的表面处理工艺制作的相同微带电路，测试比较了插入损耗特性，如图,4,。可以看到，,ENIG,具有最高的插入损耗，而有机保焊膜、化学沉银的插入损耗基本与裸铜相当。,2.2,高频材选材评估原则,表面处理,（,2,）,基于,1/2oz,压延铜,5mil RT/duriod6002(RO3003),材料,不同表面处理工艺的插损比较,2.2,高频材选材评估原则,表面处理,（,3,）,上表反应了不同表面处理对信号影响：,由于化学沉银的厚度仅为,0.2um,，,OSP,表面膜厚也为,0.2-0.5um,，与裸铜接近，对信号影响最小。但是，此类表面处理均不能满足印制板表面氧化问题，对印制板长期可靠性不利。,高要求客户不能接受。,军品微波高频板件对印制板表面要求：,军品微波高频板基本采用镀金表面处理工艺。镀金工艺分为以下几种：,1,）化学镀金：又称化学沉镍金；镍厚,3-5um,，金厚,0.05-0.1um,；普遍用在焊接要求高，线路密度大的设计；,2,）化学镀厚金：,一种是镀纯金（金含量,99.99%,），金厚,0.5-2.0um,；,接地铜面一般选择,0.5um,；打线面,2um,；,一种是镀镍金（金含量,99.99%,），金厚,0.3-2.0um,；,接地铜面一般选择,0.3um,；打线面,2um,；镍一般要求低硬度亚光性对打线有利。,3,）镀水金：此类工艺由于金厚薄，无具体指标要求，近年基本被淘汰。,2.2,高频材选材评估原则,表面处理,（,4,）,GJB362B,对关于金的表面涂层厚度要求,金厚要求,：,不用于焊接的连接器插接区域,1.3um,；,焊接区域,0.46um,；,超声打线结合区域,0.05um,；,热压打线结合区域,0.8um,；,化学沉金（浸金）：,0.05-0.23um,；,镍厚要求：,板边连接器,2.5um,；,防止形成铜锡合金的阻挡层,5.0um,；,化学沉镍：,2.5-5.0um,；,2.2,高频材选材评估原则,热处理,（,1,）,热管理,当高频,/,微波射频信号馈入,PCB,电路时，因电路本身和电路材料引起的损耗将不可避免地产生一定的热量。,5G,设备应用中不仅使用频率升高，设备也趋于小型化，势必产生更大的热量。处理好电路热管理及理解,PCB,的热特性有助于避免因高温导致的电路性能恶化和可靠性降低。,热模型,简单的表示电路的基本热模型及微带线的热流剖面模型如图,5,所示。在微带线电路中，顶部信号平面是电路发热源，底部接地平面是低温区域或散热平面，两平面之间填充介质材料。在热模型中，热量将从信号平面，通过材料转移到接地平面低温区域实现散热。虽然实际微带线电路的热量产生过程是复杂的，但对于简单的热模型，这样的假设是可以接受的。图中热流方程中的,k,是材料的热传导系统，,A,是发热源面积，,L,是材料厚度，,(TH-TL),是上下面的温差。热流方程及热模型解释了选择导热系数高、厚度薄的电路材料可以实现更佳的散热和热量管理。,2.2,高频材选材评估原则,热处理,（,2,）,图,5,、电路的基本热模型,左）图是基本的热流模型，右）图是微带线电路的热流剖面图模型,2.2,高频材选材评估原则,热处理,（,3,）,热管理,设计者通常会从电路效率和损耗角度出发来评估温度上升情况，但是,PCB,介质作为热源最近的导热体却是对温升影响较大的部分。如图,6,，我们通过仿真可以发现，在常用的板材中，通过降低板材的,Df,值来降低温升的方法，没有选用更高导热率（,TC,）的方法有效。尽管在不同材料的介质损耗会最终影响电路的插入损耗，导致产生不同的热量，但相比较，材料的导热系数对于温度变化更为明显。对于相同导热系数值情况下，例如,0.4W/m/K,，介质损耗,Df,从,0.001,到,0.004,引起的温度上升仅约为,0.22C/W,。然而，即使,Df,同为,0.001,的材料，导热系数,0.2W/m/K,到,1.5W/m/K,的变化却可引起温度降低,0.82C/W,。如果电路的输入功率是,50W,，那么温度可降低约,40C,。,2.2,高频材选材评估原则,热处理,（,4,）,图,6,、仿真计算温度上升随,Tc,和,Df,的变化,2.2,高频材选材评估原则,热处理,（,5,）,除材料的导热系数外，材料的其他的一些参数也对热量管理产生影响。为更好的了解,PCB,电路热性能相关的影响因素，表,7,展示了基于不同材料，不同材料厚度、损耗因子、导热系数、铜箔粗糙度以及插入损耗的电路的温度变化结果。该表为对比不同电路材料的热效应提供了参考。对比,1,号与,2,号电路，两者的差异是电路的厚度，因此,PCB,材料厚度的变化会导致温升的差异。厚度越薄，散热路径越短，相同条件下温升越低；对比,2,号与,3,号电路，两者的差异主要在不同铜箔粗糙度带来的插入损耗的不同。铜箔表面粗糙度越小，插入损耗越低，温升越小；电路,4,材料是,FR-4,，该材料基本不用在微波,/,毫米波波段。作为例子可以看到,FR-4,在多个方面存在不足，如高的介质损耗，导体损耗和较低的导热率，从而在相同电路下具有最高的插入损耗，导致温升显著增加。电路,5,是基于罗杰斯,RT/duroid6035HTC,材料，该材料具有高达,1.44W/m/K,的导热率，具有最好的导热特性，同时具有非常低的损耗因子，插入损耗最低，在相同输入功率下它的温升最低，非常适合于高功率微波应用。,2.2,高频材选材评估原则,热处理,（,6,）,图,7,、不同材料及厚度下热量测试的对比,因此，对电路的热量管理要选择相对薄的电路材料，同时选择高导热率、铜箔表面光滑、低损耗因子等材料特性有利于降低微波毫米波频段下电路的发热情况。,3.0,高频材选材评估原则,多层设计,（,1,）,概述：,5G,技术不仅要更小型化的基站设备，天线的尺寸也要小型化。同时，将有源电路与天线相结合的有源天线系统,(AAS),将作为即将到来的,5G,网络的重要组成部分。小型化的设计以及有源天线系统都要求电路更多的应用多层板的设计。,3.1,多层高频印制板材选材评估原则（,1,）,Z,轴膨胀系数,Z,轴热膨胀系数,通常用于高频,PCB,板的热塑性材料是聚四氟乙烯（,PTFE,），可通过各种形式的填料如玻璃纤维或陶瓷材料加固增强。相比热固性材料，,PTFE,的热塑性材料通常有更好的电气性能，具有较小的电气损耗，但,PTFE,材料的,Z,轴热膨胀系数（,CTE,）都比铜高不少。在制作多层板时，当电路板经过高温时因材料与铜的热膨胀系数不同而发生不同的膨胀导致,PTH,（,Plated Through Hole,）过孔的可靠性失效。,选择低