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，Ｓｕｂｓｔｒａｔｅ１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０．０００９０．００１２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±０．０４２．２０２．１７２．２２．６损耗因数０．００１９０．０００９０．０００９≤０．００１≤０．００１２．３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０．００１２０．００１２０．００１０≤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０．００２７０．００３７０．００２７微波介质电路基板材料的选用，除了应该考虑上述之介电性能，但同时也必须考虑其表面铜箔种类及厚度、环境适应性、可加工性等因素，当然还有成本问题。

４微波介质电路基板材料之选用应对不断出现的通讯市场需求，微波介质电路基板材料的应用日渐增多，下面将围绕选用中心，简述一二。

４．１高速数字电路基板材料选择随着微处理器和信号转换器等元器件每秒数十亿次的运行速度，数字电路随之不断达到更高的运行速度。

虽然，传输线阻抗的不连续性和多层印制板金属化孔缺陷等因素，都会对高速数字电路产生不良影响，但是，电路基板材料选择不当也会对高速数字电路的性能造成不良的影响。

随着数字电路运行速度的不断提升，如果选用一些通用FR-4基板材料加工这些电路时，会由于多种原因达不到最终性能要求。

高速数字电路印制板材料选择的主要指标包括有介电常数、损耗因素、以及介质厚度。

另外，色散对于印制板材料而言，是一个同介电常数联系紧密的材料特征。

所有印制板材料都会产生一定程度的色散，这是因为印制板材料的介电常数值都会随着频率而改变。

对于高速数字信号，如果印制板材料的介电常数对于不同频率的谐波成分呈现不同值，将导致谐波成分产生一定程度的损耗、甚至频率偏移，进而导致高速数字信号的性能下降。

罗杰斯公司提供的RO4003TM印制板基板材料，是陶瓷粉填充玻璃纤维增强的碳氢化合物层压板。

10GHz时，该型号材料的纵向Dk为3.38，Df为0.0027。

材料的Dk频率稳定性极好，其偏差小于±0.05。

鉴于RO4003TM印制板基板材料稳定的Dk值，该材料已经应用于毫米波段内的宽带模拟电路、以及运行速度达到25Gb/s的低失真高速数字电路。

４．２印刷电路天线基板材料选择印刷电路天线的获得，是在一面或两面覆有铜箔、由介质材料所构成的层压板上制造而成。

介质基板材料可能含有玻璃纤维、陶瓷粉、或其他填充材料，发挥改善电气和机械稳定性的作用。

如何为印刷电路天线选择合适的微波介质电路基板材料，设计者在理解电气性能、尺寸和重量等应用要求的基础上，必须重点关注基板材料的介电常数、损耗、热膨胀系数等指标。

简单来说，使用低介电常数的基板材料来制造印刷电路天线，通常意味着使用能够提供更高天线增益的低损耗材料，但是，低介电常数天线基板材料的选用，也会影响天线的尺寸。

罗杰斯公司荣誉产品之RT/duroid6002为PTFE复合介质基板材料，可在10GHz频率上提供2.94±0.04的相对介电常数和0.0012的损耗因素，其在Z轴方向上的低热膨胀系数值为24ppm/℃。

尽管拥有优越的电气性能，选用该种基板材料制作的印刷电路天线尺寸，比选用具备较高介电常数基板材料的尺寸要大。

此外，罗杰斯公司的商用性基板材料RO3200系列，则是一种玻璃纤维编织布增强的低成表５耐高温及抗氧化性强基板材料ＲＯ４８３５ＲＯ４８３５（新品）ＲＯ４３５０Ｂ（老款）Ｄｋ＠１０ＧＨＺ３．４８±０．０５３．４８±０．０５Ｄｆ０．００３７＠１０ＧＨＺ０．００３７＠１０ＧＨＺ热膨胀系数（Ｘ／Ｙ／Ｚ）１１／９／２６１４／１６／３５吸水率０．０５％０．０６％导热系数０．５６０．６２本陶瓷粉填充基板材料，在10GHz 频率上，可提供三种介电常数，分别为3.02、6.15、10.2，允许天线设计人员根据最终电路尺寸、以及性能等方面的考量，进行合理的选择。