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Rog博客由罗杰斯公司(Rogers Corporation)的John Coonrod及其他专家提供,包括有关RF/微波材料的技术咨询和信息。
浅析高温对线路板材料的影响
录入时间:2016/9/1 8:29:48

高温能造成损害。印刷电路板(PCB)在材料研制时就需要考虑能承受一定的高温,但是当温度升高超过某一阈值,电路板性能,尤其是高频性能就会受到影响。如果一个电路设计工程师熟悉温度上升情况下描述线路板材料特性的各种参数,那么选择耐热PCB材料配合优化过的电路设计就可以承受一定的高温。

随着电路板集成的密度越来越高,电路设计变得更小更轻,各种不同来源的热源,以不同方式影响电路性能。热量可能由安装在电路板上某个组件产生,也可能从电路板外部热源产生。高功率雷达系统的工程师都熟悉真空管放大装置,诸如速调管和行波管(TWTs)都会产生的巨大的热量。近年来,高密度放大半导体器件,例如安装在电路板上的氮化镓(GaN)晶体管,除了能提高射频/微波信号的功率等级外,也会产生局部热点。 PCB的外部热源,例如汽车电子系统,也会提高电路的温度并带来可靠性问题。电路设计如何最低限度地降低受到类似热源的影响,是与正确理解高频电路材料在高温下的性能表现的问题有关。

发热可以使包括线路板材料在内的绝大多数材料膨胀。因为波长越小对应的频率越高,微波尤其是毫米波(30GHz或更高)电路具有更小的尺寸,电路板由于高温带来的膨胀更容易使电路性能发生异变。此外,由于越来越小的电子设计需求,许多电路在设计时就需要选择具有更高介电常数的线路板材料,这样在一个给定的频率或波长可以设计生产出较小的电路尺寸,从而也更易受到膨胀带来的影响。高温引起电路材料的膨胀,可以改变传输线的特性,同时也能使导线的50欧姆特性阻抗变化而产生失配。在较高温度下传输线的尺寸变化会导致非线性,失真,甚至频率偏移等非期望的结果。

复杂的情况是线路板为复合材料,包括介电层和导电金属层,它们有不同的膨胀速率和不同的高温函数。这种PCB的特性可以用热膨胀系数(CTE)来衡量。它描述了一种材料的膨胀量,单位:百万分率(ppm),是以摄氏度(°C)表征的温度函数。理想情况下,如果PCB介电层的热膨胀系数与层压到介电材料上的铜或其它导电金属的热膨胀系数在数值上相近,这样两种材料在高温下可以同步膨胀,可避免在两种不同材料的交接面产生应力。电路设计师往往关心的在较高温度下某些电路功能的可靠性与此有关,例如在介质和金属导电材料之间用于多层电路板不同层互连的金属化过孔(PTH)。

使用高介电常数的线路板材料可以实现电路特性和尺寸的小型化,例如罗杰斯公司的RO3010™低损耗线路层压板,它在10 GHz频率下Z轴(厚度方向)的介电常数(Dk)为10.2,并且保证整板±0.30的公差。高温可以影响传输线的尺寸和间距,这种影响在采用高介电常数材料设计的小型化电路中尤为明显。对于毫米波频率的电路有极细线宽和间距,同样,由于高温产生的电路板膨胀也能改变这些电路的性能。

电路尺寸是确定谐振电路中心频率的关键,同时传输线的线宽和间距确定了部分电路间的耦合量。例如,在高温下的一个边缘耦合带通滤波器电路,如果导体和介电材料之间热膨胀系数(CTE)存在显著差异,则可以导致滤波器耦合谐振之间的物理空间产生变化,从而导致通带频率和带宽产生预想不到的变化。

对于PCB材料,低CTE值意味材料膨胀随着温度升高变化较小, 越低CTE总是越好。根据经验,一般情况下认为小于70 ppm/°C的热膨胀系数的PCB材料具有较好的可靠性。 由于电路小型化设计需要,对于毫米波频率或更小尺寸的电路,为确保在较高温度下的高可靠性,线路板具备更小的热膨胀系数值尤为必要。

另一个帮助设计者理解温度升高时电路特性的材料参数是:介电常数温度系数(TCDk)。它描述了线路板材料的Dk值随温度变化程度。TCDk值通常是一个负数,例如-45 ppm /℃。这个值在某个特定的频率测得,并且有适用一定的温度范围,例如-50至+150℃。TCDk值也可以是正数。通常绝对值小于50被认为是一个不错的指标,这也就是说,即使在高温下,这种材料的介电常数也会保持在一个相当窄的窗口范围内。

当然,该参数也是材料Dk值的一个函数。具有高DK的材料,如RO3010层压板,将表现出更高的TCDk(Z向典型值-395 PPM /℃);相比而言,罗杰斯公司的RO3003™层压板具有较低的Dk值3.00(±0.04),其TCDk同样也低得多(Z向典型值-3 ppm/℃)。TMM®材料是一个例外。尽管TMM材料具有很高的Dk值,但这类材料仍具有较低TCDk值。

PCB的损耗同时来自于导体损耗和介电材料损耗。随着温度升高而铜的传导性能下降导致铜的损耗会变大。PCB的介电损耗,公认的是用耗散因子(Df)参数来描述。耗散因子的温度系数(TCDf)可进一步描述其随温度变化情况。在较低的频率下,铜和电介质因高温增加带来的损耗通常可以忽略不计。但是,当导体宽度变窄,例如在小型化和毫米波电路中,由于铜的损耗和TCDf的共同影响,在较高温度下可以带来明显损耗变化。因此,任何运行在温度升高环境下的这类电路在设计时都需要考虑这个因素。

综合考虑温度带来的相关影响,如CTE、TCDk和TCDf等,在高温下建模或预测线路板材料的特性变得尤为复杂。例如,具有高CTE和高TCDk的层压板,其性能可能会因为电路尺寸和介电常数的改变而发生变化。但是,如果选择正确参数的特定线路层压板,可以使高温带来的影响最小化。例如,由混合材料组成的RO3003层压板在低温和高温同时具有稳定的性能。这种陶瓷填充的聚四氟乙烯(PTFE)材料通常被指定用于毫米波电路。它具有Z轴 25 ppm/°C的低CTE值,同时具备 -3 ppm/°C的极低TCDk值。其CTE值为17 ppm/°C,该值与铜的热膨胀系数相当,高温情况下介质与铜箔接合处不会产生应力。而且,它的TCDk接近完美 (0 ppm/°C)。 这种复合材料的多种特性的结合使得它可用于更高温度,特别适用于小型化和毫米波电路。

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(本文由英文翻译而来,如出现差异,请以英文为准)


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