5G高频板件材料选择与多层板设计要求

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。
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；
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）
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示意图
0.0250
0.0200
0.0150
wk.baidu.com
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
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。
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
❖ 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。
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。
❖ 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。
微波高频板 选材与工艺控制要点研究
四川超声
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
➢ 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·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。