微波介质基板材料及选用_杨维生

微波介质基板材料及选用

杨维生彭延辉

（南京电子技术研究所，江苏南京２１００１３）

摘要：本文就现代通讯中，微波复合介质电路基板材料进行了重点介绍。在对微波复合介质电路基板材料进行分类的基础上，针对相关微波复合介质电路基板材料的选用，进行了详细阐述。

关键词：选用；微波；基板

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ，ｔｈｅｐｒｅｓｅｎｔｓｉｔｕａｔｉｏｎｏｆｔｈｅａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆｍｉｃｒｏｗａｖｅｃｏｍｐｏｓｉｔｅｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃｓｕｂｓｔｒａｔｅｉｎｔｈｅｍｏｄｅｒｎｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｗｅｒｅｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．Ｏｎｔｈｅｂａｓｉｓｏｆｃｌａｓｓｉｆｙｉｎｇｍｉｃｒｏｗａｖｅｃｏｍｐｏｓｉｔｅｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃｓｕｂｓｔｒａｔｅｍａｔｅｒｉａｌｓ，ａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅｍａｒｋｅｔｉｎｇｏｐｅｒａｔｉｏｎｏｆＲｏｇｅｒｓｃｏｍｐａｎｙ，ｔｈｅｓｅｌｅｃｔｉｏｎｏｆｔｈｅｍｉｃｒｏｗａｖｅｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃｓｕｂｓｔｒａｔｅａｒｅｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｓｅｌｅｃｔｉｏｎ，Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ，Ｓｕｂｓｔｒａｔｅ

１前言

随着现代信息技术的革命，数字电路逐渐步入信息处理高速化、信号传输高频化阶段，为处理不断增加的数据，电子设备的频率变得越来越高。

为此，在满足传统设计及制造需求的基础上，对微波介质电路基板材料的性能提出了更新的要求。

鉴于应用于印制电路板上的信号必须采用高频，因此，如何减少在电路板上的传输损耗和信号延时，成为高频电路设计和制作的难题。

在设计微波电路的时候，需要一些印制电路板质量的知识，尤其是在为某一特定应用选择微波电路基板材料的时候更是如此。

当今的微波电路设计者较其前辈显得更为幸福，因为有很多微波介质电路基板材料的商业化产品可供选择，这既有好处也有坏处。因为，有太多选择可能，使选择的过程变得困难，所以，很多设计者首先考虑的是相对介电常数（Dk），将其作为一个关键的筛选参数。

研究表明，一些基本的材料属性，会导致印制板所用介质电路基板的标称Dk值发生偏差。例如，产品数据表上所列参数值，是基于特定的材料厚度和铜箔类型。然而，不同材料供应商提供的同一种产品，通常具备不同的介质厚度和铜箔厚度，而介电常数会随着介质厚度和铜箔厚度的不同而有所变化。事实上，甚至铜箔的表面粗糙度，也会对Dk值造成影响。

此外，随着设计水平的日渐提升，微波介质电路基板材料的可加工性差异、金属化孔质量及可靠性、层间介质多层化变形性等因素，将日益凸显，给微波电路设计选材带来更多困惑。

２微波介质电路基板材料介绍

在微波介质电路基板的研发、市场化进程中，全球各相关供应商所推出的产品牌号“林林总总”、不胜枚举。但是，细究其基板材料构成，无外乎树脂体系、玻璃纤维增强、陶瓷粉改性等诸方面。主要分为下述几类：1）玻璃纤维增强聚四氟乙烯树脂系列；2）陶瓷粉填充聚四氟乙烯树脂系列；3）陶瓷粉填充热固性树脂系列。２．１玻璃纤维增强聚四氟乙烯树脂系列

为了达到高速传送，对微波基板材料在电气特性上有着明确的要求。在提高高速传送方面，要实现传输信号的低损耗、低延迟，必须选用介电常数和介质损耗角正切小的树脂基板材料。

在所有的树脂中，聚四氟乙烯的介电常数和介质损耗角正切最小，而且耐高低温性和耐老化性能好，最适合于作为微波复合电路基板材料，是目前采用量最大的微波电路板制造基板材料。

玻璃纤维增强聚四氟乙烯树脂系列微波复合介质电路基板，按照玻璃纤维增强方式，可分为玻璃短纤维增强、玻璃编织布增强两大类。

首先，玻璃短纤维增强，是罗杰斯公司专利性产品，其产品主要有RT/duroid5870和RT/duroid5870，其性能指标参见下表1。

其次，玻璃纤维编织布增强，全球多家公司均选择之方式，相关性能指标，选取目前常见几家供应商牌号于下表2。

２．２陶瓷粉填充聚四氟乙烯树脂系列

微波及高速传送的微波复合介质电路基板材料，在玻璃纤维增强的基础上，出于对产品耐热等性能指标实现的考虑，往往通过在聚四氟乙烯树脂体系中添加陶瓷粉材料来实现。

陶瓷粉填充聚四氟乙烯树脂系列微波复合介质电路基板性能，选取目前常见几家供应商牌号于下表3。

表１玻璃短纤维增强聚四氟乙烯树脂系列性能表

性能罗杰斯

ＲＴ／ｄｕｒｏｉｄ５８８０ＲＴ／ｄｕｒｏｉｄ５８７０

介电常数２．２±０．０２２．３３损耗因数

０．０００９

０．００１２

表２玻璃纤维增强聚四氟乙烯树脂系列性能表

性能罗杰斯

泰康利泰州旺灵

ＵＬＴＲＡＬＡＭ２０００ＤｉＣｌａｄ８８０ＴＬＹ－５ＡＦ４ＢＭ－２Ｆ４Ｂ－２介电常数２．４￣２．６±０．０４

２．２０２．１７２．２２．６损耗因数

０．００１９

０．０００９

０．０００９

≤０．００１

≤０．００１

２．３陶瓷粉填充热固性树脂系列

微波及高速传送的微波复合介质电路基板材料，除了聚四氟乙烯树脂体系大量运用外，尚有其他热固性树脂系列（往往结合陶瓷粉填充技术）介质基板材料提供。从性价比而言，给民用通讯市场带去了无线生机。

陶瓷粉填充热固性树脂系列微波复合介质电路基板性能，选取目前常见几家供应商牌号于下表4。

３微波介质电路基板选用要求

微波介质电路基板的选用中通常应当考虑的因素包括：电性能，温度稳定性，频率稳定性和热膨胀系数。

电性能要求，是微波电路设计之根本，在此不表。

温度稳定性是指介电常数随温度变化的稳定程度。在设计对温度变化较为敏感的电路如：带通滤波器，压控振荡器及天线时，随温度变化较大的材料会带来许多问题。材料的温度稳定性通常是根据IPC-TM-6502.5.5.5，

通过测量用该材料制作的微带线谐振器而进行的。在-50℃到150℃温度下循环三次，以去除内应力和聚四氟乙烯材料中常有的磁滞现象。

频率稳定性是指介电常数随频率变化的程度。该项指标是根据IPC-6502.5.5.5.1,在500MHz 到10GHz 范围内测量的。高频介质板的介电常数变化非常小，从500MHz 到10GHz 仅1%。聚四氟乙烯材料在这个频率范围内为0.5%，而FR4材料的变化就相当大了，从500MHZ 到8GHz 下降了7%。

热膨胀系数是衡量材料随温度变化的机械特性。IPC-TM-6502.4.24.规定了板材的CTE 的测量方法。随着温度的变化，介质板在X ，Y ，Z 方向上尺寸都会发生微小的变化，其中，Z 轴方向上的变化比较关键，因为它直接影响到金属化孔的可靠性，Z 轴方向上的尺寸变化大会使金属化孔断裂。温度较低时，厚度的热膨胀基本成线性变化，当温度升高到一定值时，厚度发生巨变，这个温度被称为介质材料的玻璃化转变温度Tg 。对环氧板，玻璃化转变温度Tg 值是相当重要的。高频板的Tg 值都较高，如ROGERS 的板材一般都高于280℃。CTE 和Tg 都会影响金属化孔的可靠性，设计师了解介质板Tg 温度以下和以上的CTE 值能够更好的确定材料是否能够满足设计的温度要求。

表３陶瓷粉填充聚四氟乙烯树脂系列性能表

性能罗杰斯

泰康利泰州旺灵ＲＴ／ｄｕｒｏｉｄ６００２ＣＬＴＥ－ＸＴＴＳＭ－ＤＳＦ４ＸＴ－２介电常数２．９４±０．０４２．９４２．８５２．９４损耗因数

０．００１２

０．００１２

０．００１０

≤０．００１

表４陶瓷粉填充热固性树脂系列性能表

性能罗杰斯

ＲＯ４００３ＣＲＯ４３５０Ｂ２５Ｇ介电常数３．３８±０．０４３．４８±０．０４３．３８损耗因数

０．００２７

０．００３７

０．００２７