隨著物聯(lián)網(wǎng)的興起和移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)內(nèi)容的日漸豐富，人們對(duì)移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的傳輸速率以及服務(wù)質(zhì)量提出了更高的要求，第五代（5G）無(wú)線移動(dòng)通信技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生并得到快速發(fā)展。與此同時(shí)，5G也將滲透到其他各種行業(yè)領(lǐng)域，與工業(yè)設(shè)施、醫(yī)療儀器、車(chē)聯(lián)網(wǎng)等深度融合，有效滿(mǎn)足工業(yè)、醫(yī)療、交通等行業(yè)的多樣化業(yè)務(wù)需求，實(shí)現(xiàn)真正的“萬(wàn)物互聯(lián)”。

高頻段毫米波在5G通信中具有顯著的優(yōu)勢(shì)，如足夠的帶寬、小型化的天線和設(shè)備、較高的天線增益等。美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)（FCC）規(guī)劃用于5G的4個(gè)高頻段包括3個(gè)授權(quán)頻段（28GHz、37GHz和39GHz頻段）和1個(gè)未授權(quán)頻段（64GHz～71GHz頻段）等，但是尋找這些頻段內(nèi)性能卓越且價(jià)格合理的印刷電路板（PCB）材料是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。因此，如何正確理解PCB材料的關(guān)鍵參數(shù)和特性，選取適合于5G技術(shù)應(yīng)用頻段內(nèi)應(yīng)用的PCB材料至關(guān)重要。

損耗

當(dāng)電路設(shè)計(jì)的頻段達(dá)到高頻毫米波頻段，預(yù)估和控制電路的損耗變得尤為重要。對(duì)于高頻傳輸線及高頻電路，插入損耗主要包括介質(zhì)損耗、導(dǎo)體損耗、輻射損耗和泄露損耗幾個(gè)部分，是各種損耗成分的總和。了解這些成分對(duì)于電路的設(shè)計(jì)是非常有幫助的。然而，高頻PCB材料一般具有較大的體電阻因此RF泄露損耗非常小，可以忽略。

羅杰斯公司開(kāi)發(fā)的MWI應(yīng)用軟件可以仿真插入損耗的各個(gè)組成成分，該程序可以從羅杰斯主頁(yè)(www.rogerscorp.com)上下載。它是基于Hammerstad和Jenson提出的微帶傳輸線阻抗和損耗特性描述方法，測(cè)試表明軟件仿真值與實(shí)測(cè)值具有很高的準(zhǔn)確度。

輻射損耗

從圖1可以看出，在50Ohm阻抗下微帶線總的插入損耗隨電路工作頻率和厚度變化。為避免微帶線出現(xiàn)不想要的模式（很大的輻射損耗），應(yīng)根據(jù)所選DK選擇厚度小于某值的板材。以4350B^TM為例，應(yīng)選用1/80自由空間波長(zhǎng)以下的厚度，以達(dá)到可以忽略的輻射損耗。但是薄介質(zhì)由于線寬更窄，場(chǎng)強(qiáng)更高，會(huì)帶來(lái)更大的導(dǎo)體損耗，銅箔的粗糙度對(duì)于導(dǎo)體損耗和等效介電常數(shù)的影響也更大。所以在追求更低損耗的應(yīng)用中應(yīng)選用更加光滑的銅箔。這一點(diǎn)我們將在后文給予介紹。當(dāng)輻射損耗成為一個(gè)設(shè)計(jì)問(wèn)題而不宜使用微帶線電路時(shí)，GCPW傳輸線可以有效的降低輻射損耗。另一方面，傳輸線的任何阻抗的失配通常都會(huì)伴隨一定的能量輻射。在射頻微波電路中阻抗失配是很常見(jiàn)的，這和電路的具體設(shè)計(jì)以及材料的Dk和厚度控制密切相關(guān)。選擇Dk和厚度嚴(yán)格控制的材料可以將因?yàn)椴牧先莶钭兓鸬氖浣抵磷钚。瑥亩鴾p小輻射損耗。

圖1、DK 3.66, 1oz相同材料在不同厚度下微帶線插入損耗及各組成部分的對(duì)比

銅箔粗糙度

通常在PCB基材加工過(guò)程中，銅箔表面會(huì)進(jìn)行糙化處理以改善其和PCB介電材料的結(jié)合力。但粗糙的銅箔表面會(huì)導(dǎo)致更高的導(dǎo)體損耗，且隨著頻率的升高導(dǎo)體損耗將顯著增加，這是由于電路的趨膚效應(yīng)導(dǎo)致的。一般來(lái)說(shuō)，當(dāng)電路工作頻率對(duì)應(yīng)的趨膚深度小于或等于銅箔的表面粗糙度時(shí)，表面粗糙度的影響將變得非常顯著。在毫米波頻段，趨膚深度通常小于銅箔的表面粗糙度，如50GHz時(shí)的趨膚深度為0.30um。

銅箔表面粗糙度有多種測(cè)量方法和衡量單位，通常以均方根Rq或者RMS來(lái)表示。通過(guò)對(duì)3種銅箔（標(biāo)準(zhǔn)電解銅、反轉(zhuǎn)處理銅、壓延銅）在電顯微鏡下使用相同放大倍數(shù)（7000x）的觀察，不同銅箔表面表現(xiàn)出完全不同的顆粒與粗糙度特征，如圖2所示。不難發(fā)現(xiàn)，標(biāo)準(zhǔn)電解銅箔的表面粗糙度較高，所呈現(xiàn)的顆粒狀與輪廓更大和更深；而壓延銅的銅箔表面粗糙度很小，顆粒狀和輪廓非常小；而反轉(zhuǎn)處理銅箔介于兩者之間。

圖2、1/2oz 厚度下不同銅箔表面粗糙度比較

通過(guò)使用Vececo公司的Wyko^® NT1100光學(xué)表面輪廓測(cè)試儀對(duì)銅箔表面的粗糙度值進(jìn)行測(cè)量，上述銅箔中標(biāo)準(zhǔn)電解銅的表面粗糙度均方根值是2.2um，某一種反轉(zhuǎn)銅是1.2um，壓延銅是0.4um。通過(guò)在羅杰斯RO3003^TM的相同材料上使用不同種類(lèi)銅箔制作相同的電路進(jìn)行插入損耗的對(duì)比，如圖3。羅杰斯RO3003材料使用1/2oz的標(biāo)準(zhǔn)電解銅的材料本身已具有很低的插入損耗特性，但使用光滑的1/2oz壓延銅所表現(xiàn)出的插入損耗更低。這進(jìn)一步說(shuō)明選用銅箔表面越光滑，特別是毫米波頻段，越有利于電路的插入損耗的降低。

圖3、基于5mil RO3003^TM材料不同銅箔類(lèi)型制作相同電路的插入損耗比較

表面處理工藝

電路加工過(guò)程的最終表面處理也會(huì)對(duì)電路的損耗帶來(lái)影響，尤其是在高頻毫米波頻段。不同表面處理工藝的會(huì)對(duì)PCB的損耗產(chǎn)生不同影響，對(duì)寬帶、高頻微波電路更加明顯。大部分PCB表面處理的導(dǎo)電性都比銅箔的導(dǎo)電性差。導(dǎo)電性越差產(chǎn)生的導(dǎo)體損耗越高，從而電路的插入損耗也越大。

對(duì)于高頻電路有許多不同的表面處理工藝可供選擇，包括化學(xué)鎳金(ENIG)、有機(jī)保焊膜(OSP)、化學(xué)鎳鈀金(ENIPIG) 以及阻焊油墨等。例如，化學(xué)鎳金ENIG就是在PCB銅導(dǎo)體表面通過(guò)化學(xué)置換的方法先鍍上鎳，然后在鍍一層薄薄的金。通常ENIG 的鎳厚度是5um左右，金0.2um左右，金是非常好的良導(dǎo)體，但薄薄的一層金通常會(huì)在當(dāng)元件焊接到PCB傳輸線或?qū)Ь€上時(shí)，被吸收到焊接點(diǎn)而消失。

由于趨膚效應(yīng)，在高頻頻段時(shí)電流將沿著導(dǎo)體的表面?zhèn)鬏敚娏鲗⑼耆采w鎳層和金層。由于鎳的導(dǎo)電性比銅差，從而使用ENIG表面處理的電路會(huì)比使用裸銅的電路所表現(xiàn)的插入損耗大。RT/duriod^® 6002材料是羅杰斯公司應(yīng)用于航空、衛(wèi)星等的高可靠性材料，而RO3003產(chǎn)品是與之特性基本相同的商用級(jí)材料。通過(guò)在5mil RT/duriod 6002壓延銅的材料上使用不同的表面處理工藝制作的相同微帶電路，測(cè)試比較了插入損耗特性，如圖4。可以看到，ENIG具有最高的插入損耗，而有機(jī)保焊膜、化學(xué)沉銀的插入損耗基本與裸銅相當(dāng)。

圖4、基于1/2oz壓延銅5mil RT/duriod^® 6002(RO3003^TM)材料

不同表面處理工藝的插損比較

熱管理

當(dāng)高頻/微波射頻信號(hào)饋入PCB電路時(shí)，因電路本身和電路材料引起的損耗將不可避免地產(chǎn)生一定的熱量。5G設(shè)備應(yīng)用中不僅使用頻率升高，設(shè)備也趨于小型化，勢(shì)必產(chǎn)生更大的熱量。處理好電路熱管理及理解PCB的熱特性有助于避免因高溫導(dǎo)致的電路性能惡化和可靠性降低。

熱模型

簡(jiǎn)單的表示電路的基本熱模型及微帶線的熱流剖面模型如圖5所示。在微帶線電路中，頂部信號(hào)平面是電路發(fā)熱源，底部接地平面是低溫區(qū)域或散熱平面，兩平面之間填充介質(zhì)材料。在熱模型中，熱量將從信號(hào)平面，通過(guò)材料轉(zhuǎn)移到接地平面低溫區(qū)域?qū)崿F(xiàn)散熱。雖然實(shí)際微帶線電路的熱量產(chǎn)生過(guò)程是復(fù)雜的，但對(duì)于簡(jiǎn)單的熱模型，這樣的假設(shè)是可以接受的。圖中熱流方程中的k是材料的熱傳導(dǎo)系統(tǒng)，A是發(fā)熱源面積，L是材料厚度，(T_H-T_L)是上下面的溫差。熱流方程及熱模型解釋了選擇導(dǎo)熱系數(shù)高、厚度薄的電路材料可以實(shí)現(xiàn)更佳的散熱和熱量管理。

圖5、電路的基本熱模型

左）圖是基本的熱流模型，右）圖是微帶線電路的熱流剖面圖模型

熱管理

設(shè)計(jì)者通常會(huì)從電路效率和損耗角度出發(fā)來(lái)評(píng)估溫度上升情況，但是PCB介質(zhì)作為熱源最近的導(dǎo)熱體卻是對(duì)溫升影響較大的部分。如圖6，我們通過(guò)仿真可以發(fā)現(xiàn)，在常用的板材中，通過(guò)降低板材的Df值來(lái)降低溫升的方法，沒(méi)有選用更高導(dǎo)熱率（TC）的方法有效。盡管在不同材料的介質(zhì)損耗會(huì)最終影響電路的插入損耗，導(dǎo)致產(chǎn)生不同的熱量，但相比較，材料的導(dǎo)熱系數(shù)對(duì)于溫度變化更為明顯。對(duì)于相同導(dǎo)熱系數(shù)值情況下，例如0.4W/m/K，介質(zhì)損耗Df從0.001到0.004引起的溫度上升僅約為0.22°C/W。然而，即使Df同為0.001的材料，導(dǎo)熱系數(shù)0.2W/m/K到1.5W/m/K的變化卻可引起溫度降低0.82°C/W。如果電路的輸入功率是50W，那么溫度可降低約40°C。

圖6、仿真計(jì)算溫度上升隨Tc和Df的變化

除材料的導(dǎo)熱系數(shù)外，材料的其他的一些參數(shù)也對(duì)熱量管理產(chǎn)生影響。為更好的了解PCB電路熱性能相關(guān)的影響因素，表7展示了基于不同材料，不同材料厚度、損耗因子、導(dǎo)熱系數(shù)、銅箔粗糙度以及插入損耗的電路的溫度變化結(jié)果。該表為對(duì)比不同電路材料的熱效應(yīng)提供了參考。對(duì)比1號(hào)與2號(hào)電路，兩者的差異是電路的厚度，因此PCB材料厚度的變化會(huì)導(dǎo)致溫升的差異。厚度越薄，散熱路徑越短，相同條件下溫升越低；對(duì)比2號(hào)與3號(hào)電路，兩者的差異主要在不同銅箔粗糙度帶來(lái)的插入損耗的不同。銅箔表面粗糙度越小，插入損耗越低，溫升越小；電路4材料是FR-4，該材料基本不用在微波/毫米波波段。作為例子可以看到FR-4在多個(gè)方面存在不足，如高的介質(zhì)損耗，導(dǎo)體損耗和較低的導(dǎo)熱率，從而在相同電路下具有最高的插入損耗，導(dǎo)致溫升顯著增加。電路5是基于羅杰斯RT/duroid6035HTC材料，該材料具有高達(dá)1.44W/m/K的導(dǎo)熱率，具有最好的導(dǎo)熱特性，同時(shí)具有非常低的損耗因子，插入損耗最低，在相同輸入功率下它的溫升最低，非常適合于高功率微波應(yīng)用。

圖7、不同材料及厚度下熱量測(cè)試的對(duì)比

因此，對(duì)電路的熱量管理要選擇相對(duì)薄的電路材料，同時(shí)選擇高導(dǎo)熱率、銅箔表面光滑、低損耗因子等材料特性有利于降低微波毫米波頻段下電路的發(fā)熱情況。

多層板設(shè)計(jì)

5G技術(shù)不僅要更小型化的基站設(shè)備，天線的尺寸也要小型化。同時(shí)，將有源電路與天線相結(jié)合的有源天線系統(tǒng)(AAS)將作為即將到來(lái)的5G網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分。小型化的設(shè)計(jì)以及有源天線系統(tǒng)都要求電路更多的應(yīng)用多層板的設(shè)計(jì)。

Z軸熱膨脹系數(shù)

通常用于高頻PCB板的熱塑性材料是聚四氟乙烯（PTFE），可通過(guò)各種形式的填料如玻璃纖維或陶瓷材料加固增強(qiáng)。相比熱固性材料，PTFE的熱塑性材料通常有更好的電氣性能，具有較小的電氣損耗，但PTFE材料的Z軸熱膨脹系數(shù)（CTE）都比銅高不少。在制作多層板時(shí)，當(dāng)電路板經(jīng)過(guò)高溫時(shí)因材料與銅的熱膨脹系數(shù)不同而發(fā)生不同的膨脹導(dǎo)致PTH（Plated Through Hole）過(guò)孔的可靠性失效。

選擇低熱膨脹系數(shù)的材料對(duì)于高頻多層板應(yīng)用中過(guò)孔的可靠性重要性不言而喻。羅杰斯公司研究發(fā)現(xiàn)，在PTFE熱塑性材料中添加一些特殊的陶瓷填料可改善材料的熱膨脹系數(shù)。兼具PTFE材料本身具有的低的溫度特性和電氣特性，這種材料非常適合于高頻毫米波多層板的應(yīng)用。如羅杰斯公司的RO3000^®系列電路板材料，其Z軸的熱膨脹系數(shù)低至24ppm/°C，僅需使用一個(gè)簡(jiǎn)單的等離子體處理工藝就可完成高可靠性過(guò)孔；且它具有極低的介質(zhì)損耗（RO3003的介質(zhì)損耗在10GHz時(shí)僅為0.001），非常適合于高頻多層板的電路設(shè)計(jì)。

阻抗匹配

高頻微波/毫米波多層電路板中過(guò)孔設(shè)計(jì)及加工控制也是需要關(guān)注的方面。在過(guò)孔的設(shè)計(jì)和加工中，過(guò)孔的大小，孔內(nèi)銅厚，孔外表層焊盤(pán)大小，以及孔與接地面之間的間距等都會(huì)對(duì)過(guò)孔的寄生電容和寄生電感產(chǎn)生影響。從而影響過(guò)孔的分布參數(shù)，導(dǎo)致整體線路的失配，這種情況在微波/毫米波頻段更為明顯。在7.3mil羅杰斯RO4350B Lopro^TM覆銅板兩面疊合8mil的RO4450F^TM半固化片制作成4層分別包含通孔微帶線電路。通過(guò)實(shí)驗(yàn)我們發(fā)現(xiàn)，比較通孔電路，其具有相同的通孔長(zhǎng)度和銅厚，但孔徑較小和孔焊盤(pán)較小的電路具有更小的寄生電容、更好的寬帶特性和回波損耗，如圖8給出了通過(guò)減小通孔孔徑和孔焊盤(pán)引起的阻抗階躍變化，從而提高電路回波損耗及射頻帶寬的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。

a)

b)

c)

圖8、通孔阻抗變化對(duì)射頻性能的影響a)不同通孔設(shè)計(jì)對(duì)阻抗的影響；b）TV10電路的射頻性能測(cè)試，孔徑大；c）TV2電路的射頻性能測(cè)試，孔徑小

總的來(lái)說(shuō)，5G技術(shù)的不斷發(fā)展和對(duì)微波頻段的需求對(duì)于PCB材料的性能提出了更高的要求。根據(jù)頻率選擇合適的板厚，選擇損耗因子小的PCB材料，理解PCB材料銅箔表面粗糙度的影響而選取不同銅箔，以及合適的表面處理工藝有利于降低電路的插入損耗。高導(dǎo)熱率的PCB材料有利于5G應(yīng)用中更小尺寸，更高集成度電路的熱量管理，實(shí)現(xiàn)最佳的散熱方案。同時(shí)，合適的PCB材料類(lèi)型，材料的熱膨脹系數(shù)，過(guò)孔加工及可靠性能都將最終決定材料的選型。

作者：羅杰斯公司 技術(shù)市場(chǎng)工程師 袁署光

參考文獻(xiàn)

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本文刊登于微波射頻網(wǎng)旗下《微波射頻技術(shù)》雜志 2016無(wú)線射頻專(zhuān)刊，未經(jīng)允許謝絕轉(zhuǎn)載。