最新5G高频板件材料选择与多层板设计要求
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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）
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。
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。
➢ 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
2.2 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。
Mid Tg PN FR-4 with filler Hi.Tg PN FR-4 with filler
非Low Dk PCB基材Df随测试频率变化曲线Байду номын сангаас意图
0.0250
0.0200
0.0150
0.0100
0.0050
0.0000 测试频率
10M
50M 100M 300M 500M 1G Nor.Tg dicy FR-4 Hi.Tg PN FR-4 without filler
❖ 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。
2G 3G 5G 7G 10G Mid Tg PN FR-4 with filler Hi.Tg PN FR-4 with filler
Tg140 FR-4 Dk较小变化稳定； 无填料板材较FR-4次之； 有填料高Tg的Dk大变化较大； 各种类型Df相似。
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；
❖ 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/duriod®6002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。
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。
❖ 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。
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
1.实验检测：Dk/Df评估
1.1用共振腔法评估了10M-10GHz下的Dk/Df：常规材料
Df Dk
非Low Dk PCB基材Dk随测试频率的变化曲线示意图
实测常见FR-4 基 材Dk/Df随频率变 化：不同频率DK 有明显变化
5.00 4.80 4.60 4.40 4.20 测试频率 10M 50M 100M 300M 500M 1G 2G 3G 5G 7G 10G
Nor.Tg dicy FR-4 Hi.Tg PN FR-4 without filler
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）
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。
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。
➢ 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
2.2 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。
Mid Tg PN FR-4 with filler Hi.Tg PN FR-4 with filler
非Low Dk PCB基材Df随测试频率变化曲线Байду номын сангаас意图
0.0250
0.0200
0.0150
0.0100
0.0050
0.0000 测试频率
10M
50M 100M 300M 500M 1G Nor.Tg dicy FR-4 Hi.Tg PN FR-4 without filler
❖ 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。
2G 3G 5G 7G 10G Mid Tg PN FR-4 with filler Hi.Tg PN FR-4 with filler
Tg140 FR-4 Dk较小变化稳定； 无填料板材较FR-4次之； 有填料高Tg的Dk大变化较大； 各种类型Df相似。
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；
❖ 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/duriod®6002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。
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。
❖ 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。
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
1.实验检测：Dk/Df评估
1.1用共振腔法评估了10M-10GHz下的Dk/Df：常规材料
Df Dk
非Low Dk PCB基材Dk随测试频率的变化曲线示意图
实测常见FR-4 基 材Dk/Df随频率变 化：不同频率DK 有明显变化
5.00 4.80 4.60 4.40 4.20 测试频率 10M 50M 100M 300M 500M 1G 2G 3G 5G 7G 10G
Nor.Tg dicy FR-4 Hi.Tg PN FR-4 without filler