淺析毫米波頻率下PCB材料的玻璃纖維效應
2022-11-15
來源： 高速射頻百花潭
半導體技術的進步促進了毫米波技術的發展，在經濟型的汽車上使用77 GHz雷達系統即將成為現實。未來這些雷達安全系統作為量產的商用毫米波設備和組件，不可避免地成為“自動駕駛”汽車的組成部分。當然，不可不說的是，印刷電路板的高頻線路板材料在77 GHz汽車雷達應用中的重要性。在高頻頻段，盡管許多新的線路板材料被研制出來，但它們并非都適合這種高頻率使用。在毫米波頻率下，哪些線路板材料特性最為關鍵呢？對這些特性的理解有助于簡化毫米波應用，特別是對于77 GHz汽車雷達系統線路板材料的選擇。
高頻率具有不可比擬的商業價值，因為有更寬的可用帶寬。隨著手機、WLAN和其它商業應用大量應用較低的頻段， 60, 77甚至94 GHz的毫米波頻段能夠滿足如第五代（5G）蜂窩系統和汽車雷達等新興應用的越來越大的帶寬需求。了解毫米波頻率下基本材料屬性，不僅適用于77 GHz的線路板材料應用，還適用于越來越多28 GHz以上的高頻應用。77 GHz雷達（和其它毫米波）電路設計的六個關鍵線路板材料特性包括介電常數（Dk）或相對介電常數（εr）、損耗因子（Df）或損耗角正切，或tanδ、銅表面粗糙度、Dk的熱穩定系數（TCDk）、吸水性和玻璃纖維效應。 在毫米波頻率下，高頻線路板材料很少能在所有六種特性中表現出色。 此外，考慮到毫米波頻率的小波長下需要的精細電路尺寸，PCB材料的加工特性也是選擇這種電路材料的重要考慮因素。很難找到一種在所有六種特性中都能提供高質量的線路板材料，而且這種材料還具有可重復性和可靠的電路制造能力。對77 GHz汽車雷達和其它毫米波電路應用的線路板材料Dk的考慮實際上有兩個方面：原始基板介質本身的Dk，以及與電路相關的設計Dk。 對于原始基板介質Dk，可以根據其公差和色散來考慮。Dk公差是由制造層壓板過程中的一些變量決定的一種材料參數，在某些應用中可能需要比較小的公差。根據高頻率毫米波電路的經驗，通常±0.050的Dk容差是可接受。Dk色散是材料的自然屬性，是指Dk隨頻率的變化特性。對于寬帶應用而言，這通常更為重要，因為材料必須工作在很寬的不同頻率下，例如77 GHz頻段。設計Dk是由材料電路形式確定的Dk“工作值”的一種形式。 設計Dk1-3受許多變量的影響，因此很難評估參數的變化。眾所周知，通過電路媒質的電磁（EM）波傳播速率會因材料Dk的增加而變慢。同樣的，線路板材料的銅粗糙度會影響電磁波的相速，影響線路板材料在77 GHz和其它毫米波頻率下的性能（見圖1）。
圖1.有效Dk與頻率的關系，基于僅有銅箔表面粗糙度不同的50Ω微帶傳輸線電路測試。
如圖1所示，基于相同的4mil的LCP基板材料加工制作了四種不同的層壓板和電路。這款LCP是一種各向同性的基板，在較寬的微波和毫米波頻率范圍內都性能優異。這四種層壓板的介質完全相同，但使用了不同的銅箔類型，具有不同銅箔表面粗糙度。不同的表面粗糙度指的是介質與銅箔相連接的界面處的銅箔表面粗糙度，是在在覆銅層壓板形成前測量得到的表面粗糙度。將不同粗糙度的層壓板送到PCB制造制作50Ω微帶傳輸線進行測試。每組實驗測試的電路都是只有長度不同、其他都均相同的兩個電路。使用微帶差分相位長度法，通過每個電路的長度不同，就可以得有效的Dk與頻率的關系。如圖1所示，銅箔表面最平滑的電路具有最低的有效Dk。而粗糙銅箔的電路顯示出有效Dk增加的趨勢。在僅僅只有銅箔表面粗糙度不同的情況下，電路中有效Dk的差異約為0.3。對于設計Dk，使用較薄的比使用較厚材料的電路更容易受到銅箔粗糙度的影響。例如，如果使用較厚的基板進行類似圖1測試，則不同銅表面粗糙度的有效Dk值的差異將小得多。正如圖中四個有效Dk微小曲率所表明的那樣，其隨頻率有一些變化。這種變化與微帶傳輸線的色散特性有關，同時也是材料色散的結果。 當從有效Dk數據中提取Dk時，Dk與頻率的關系曲線（設計Dk曲線）通常會有一個小的負斜率，如圖2a和2b所示。
圖2. 多個5mil厚的RO3003?線路板材料的微帶線設計Dk，電解銅（a）和壓延銅（b）。
圖2a和2b中所示的Dk與頻率的關系曲線顯示了正常的變化趨勢，隨著頻率的增加呈輕微的負斜率。即使在Dk反推計算過程中除了微帶線色散的影響，材料色散也將導致Dk隨頻率略微降低。 設計Dk值的范圍（~3.1）可能看起來很大，但實際上并不大，因為許多變量都會影響設計Dk。對于材料，介質材料Dk的變化范圍僅為±0.040或0.080。電路加工也會使其發生一些變化，例如導體寬度和梯形效應的變化。梯形效應指的是信號導體的形狀，理想情況下是矩形橫截面，但實際電路多為的是梯形形狀。導體形狀的變化會導致電流密度和邊緣場的變化，并且在較高的毫米波頻率下，這些效應會影響性能。圖2中所示曲線的變化也與基板厚度的公差、最終銅鍍層厚度的以及銅箔表面粗糙度的變化有關。如圖2a中所示的電路上使用的標準電解（ED）銅，其表面粗糙度會出現正常的上下變化; 這些電路所使用的ED銅的表面粗糙度典型值為2.0μm RMS，但實際的粗糙度可以在1.8至2.2μm之間變化。對于在這個粗糙度變化范圍，稍光滑的電路，設計Dk的值較低，稍粗糙的電路，設計Dk的值會較高。對于圖2a中的設計Dk范圍（77 GHz下的0.126），考慮到影響它的許多變量，這是一個良好控制的設計Dk容差（±0.063）。與圖2a相比，圖2b使用更光滑的壓延銅的相同介質電路材料, 設計Dk的變化就要小的多。盡管在ED銅和壓延銅的電路加工上也存在一些細微的差異，但這表明光滑的壓延銅可以減小設計Dk變化。銅箔表面粗糙度及其變化也會影響高頻微帶電路的插入損耗。較粗糙的銅箔表面會導致較高的導體損耗并最終導致更高的插入損耗。插入損耗還取決于電路基板厚度，其中較薄的電路比較厚的電路更容易受銅箔表面粗糙度的影響。例如，對于在相同介質材料上制造的電路，比較具有不同銅箔表面粗糙度和不同厚度的電路，使用光滑和粗糙銅箔的薄電路之間的插入損耗差異比使用相同銅箔的厚電路之間的插入損耗差異更顯著。在使用5mil厚度RO3003材料的電路的情況下，使用光滑壓延銅和使用粗糙ED銅的電路在25GHz下的插入損耗差為0.35dB / in。對于類似的比較，使用20mil 厚度的RO3003層壓板，粗糙的ED銅和光滑的壓延銅的電路插入損耗差為0.10 dB / in。這表明較薄的電路比厚的電路受銅箔表面粗糙度差異的影響更大，而大多數毫米波電路是需要選擇相對薄的電路材料的。為了顯示銅箔表面粗糙度的影響，圖3給出了具有相同（5mil）介質厚度但銅箔表面粗糙度不同的兩種類似線路板材料上的微帶電路。這些都是目前在77 GHz應用中廣泛使用的材料，羅杰斯公司的RO3003材料已有較長一段時間且出貨量大。RO3003G2?材料是最新發布的一款材料，它是基于RO3003材料，專門針對77 GHz汽車雷達應用進行了優化的電路材料。因為這兩種材料具有相似的Dk和Df值，插入損耗中顯示的差異主要是由于銅箔表面粗糙度帶來的。使用標準ED銅的RO3003材料的銅箔表面粗糙度典型值為2.0μm RMS，而使用的壓延銅的典型值是0.35μm RMS。RO3003G2材料采用超低粗糙度的（VLP）ED銅，表面粗糙度的典型值僅為0.7μm RMS。
圖3. 基于5mil厚度具有相似Dk值材料、不同表面粗糙度的77GHz電路微帶插入損耗曲線
T與RO3003層壓板的ED銅箔相比，RO3003G2的VLP ED銅箔顯著改善了電路的插入損耗。盡管仍不如壓延銅的插入損耗性能，但成本相比壓延銅具有很大的優勢。VLP ED銅箔比ED銅箔的材料成本約高一點，但與更昂貴的壓延銅相比卻節省了大量成本，且插入損耗性能明顯提高。越光滑的銅箔，如類似VLP ED銅箔，電路具有更加一致的相位響應。另一方面，對于77 GHz汽車雷達電路使用的微通孔，更平滑的VLP ED銅有利于激光鉆孔加工微通孔。另外，RO3003G2使用小的圓球形填料顆粒也有利于激光鉆孔。通過激光鉆孔和較小的填料顆粒，使加工的毫米波頻率（例如77GHz）下的電路性能變得更加容易且性能實現更高的可重復。由于汽車雷達傳感器的工作溫度范圍廣，TCDk是一個極其重要的線路板材料參數和特性，是衡量材料的Dk隨溫度變化的程度。對于許多應用， TCDk值應小于| 50 |PPM /℃即可以接受。該值是一個絕對值，是因為TCDk可以是正數或負數，趨近于零表示Dk隨溫度變化最小的。如圖4a和4b所示，Dk可以隨頻率和溫度變化可能很大，可能較小。該圖比較了兩個5mil的RO3003G2和一種PPE 層壓板Dk隨溫度的變化情況。
圖4. 電路在不同溫度下，對77 GHz的汽車雷達應用的優勢材料(a)和一種PPE基板材料(b)微帶傳輸線測試情況77 GHz汽車雷達傳感器在安裝于汽車內部，汽車的行駛環境造就雷達傳感器的工作環境的確是惡劣的，還包括潮濕環境吸水性的影響。線路板材料吸水性參數就是指線路板材料在給定環境中可吸收的水分多少。水分子是有極性的，會增加PCB插入損耗，也會導致線路板材料的Dk的增加。由于相位一致性對于77 GHz汽車雷達應用至關重要，因此線路板材料吸水性對相位一致性的任何影響都值得關注。相位通常隨著電路吸水性的增加而增加。為了評估這些效果，對RO3003G2線路板材料和基于PPE的高頻材料進行了對比測試。先測試在室溫條件（+ 23°C和30% RH）下比較電路的相位差，然后放置在+ 85°C/85％RH環境下72小時后再次測試。如圖5所示，不同材料吸水性不同會產生不同的性能差異。選擇低吸水性材料可以減小對相位帶來的影響，對77 GHz汽車雷達系統的性能產生重大影響。
圖5. 比較在室溫（RT）和72小時雙85（+ 85℃，85％RH）條件下電路的微帶線電路展開相位差。
許多高頻線路板材料強度依賴于玻璃纖維增強層; 不幸的是，玻璃纖維效應會影響電路性能，特別是在77 GHz和毫米波頻率下。用于加強線路板材料的玻璃纖維編織圖案也會引起整個線路板材料中小區域內Dk的差異。幸運的是，羅杰斯公司的一些高頻線路板材料，特別是RO3003和RO3003G2層壓板，沒有使用玻璃纖維增強，也就不會存在玻璃效應。
圖6. 線路板材料中的玻璃纖維效應可以從纖維編織層的圖(a)看出，圖(b)顯示了由于玻璃纖維效應的兩個電路具有不同的Dk值，(c)玻璃纖維效應如何導致電路導體具有周期性變化的Dk
圖6a，6b和6c提供了玻璃纖維編織的不同視圖。圖6a中使用1080型玻璃布，在玻璃纖維束和玻璃束交叉點，以及沒有玻璃纖維的開口區域會導致線路板不同區域具有不同的Dk值。玻璃纖維的Dk通常約為6，而樹脂系統的Dk要小得多（通常約2.1至2.5），從而得到總的Dk約為3的用于汽車77GHz雷達傳感器應用層壓板。一般來說，可能玻璃束區域和沒有玻璃的區域之間的差異不足以在77 GHz時引起較大的問題。但是某些玻璃布類型的尺寸可能正好與毫米波頻率的波長成一定比例，從而可能導致77GHz下產生性能的影響。T1080玻璃中的開口約為10mil（0.25mm），對于Dk約為3的層壓板的微帶線電路，在77GHz下波長約為97mil（2.46mm）。與波長成一定比例就可以引起共振和干擾信號傳播; 通常，如果電路媒介具有大小為1/8波長或更小尺寸，則不會引起信號波的傳播問題。這種類型電路的1/8波長約為12mil（0.31毫米），與開口大小非常接近，足以引起關注。當只比較少量電路時，可能看不到玻璃纖維效應帶來的影響。然后，隨著電路數量的增加，電路性能的比較差異可能就會越來越明顯。同樣隨著頻率的增加，概率也會增加。這在如77 GHz汽車雷達傳感器應用的毫米波頻率中是很常見的。玻璃纖維效應的主要問題如圖6b所示，其中電路與玻璃纖維編織剛好對齊，使得一個電路與另一個電路具有具有截然不同的Dk值，盡管使用了相同線路板材料和電路設計。圖6c中的玻璃纖維與電路的方式產生的周期性Dk也是一個問題。在該電路中，由于電路設計和玻璃纖維之間的有一定角度，電路形成了高Dk和低Dk的階梯阻抗結構。如果對大量電路進行評估，這種略成角度的相對位置比大多數工程師所假設的完全一致排列更為常見，因為玻璃纖維編織并不總是完美的網格。玻璃纖維編織的大部分區域可能會偏斜，即使電路圖形是嚴格的網格，但玻璃纖維編織在電路某些區域可能也并不是網格。在2018年末羅杰斯對玻璃纖維效應進行了研究4，并于2018年10月舉辦了一個網絡研討會（可在微波雜志網站上獲得）。考慮了許多電路配置，但研究重點放在一項針對玻璃纖維交點-束和束-開口的模式（如圖6b）中，因為它是77 GHz汽車雷達中的PCB出現的類似報告問題。本研究采用純聚四氟乙烯（PTFE）和壓延銅為基板的薄層壓板（4mil或0.102mm）材料。分析了四種不同的層壓板，它們之間的主要區別在于不同的玻璃纖維增強層。采用壓延銅有助于減少銅箔表面粗糙度帶來的對本實驗的影響。使用沒有填料的純PTFE線路板材料可以呈現出最差的情況，因為填充顆粒可以減小有無玻璃纖維的區域之間的Dk差異。為此研究測試了數百個電路，檢查并尋找理想的玻璃纖維與導體的準確相對位置，以評估由于局部位置（如圖6b）而具有高Dk和低Dk的電路之間的差異。 圖7提供了77 GHz頻率下玻璃纖維效應對相位響應的影響的測試匯總圖。
圖7. 曲線顯示圖6b所示的電路玻璃纖維位置引起的Dk不同在相同設計和相同材料（4mil厚PTFE）的微帶線電路的相位與頻率的差異。圖7顯示了具有1080玻璃布的純PTFE線路板材料上微帶線電路的相位與頻率的關系曲線。這是玻璃布是一種不平衡的開口編織風格。另一種是常用于薄電路層壓板是106玻璃布， 它是一種開口、平衡且尺寸小的玻璃布。玻璃布式樣的平衡或不平衡，取決于玻璃兩個經緯向上的玻璃纖維多少和密度。 當玻璃纖維在經向的玻璃密度與緯向的玻璃密度大致相同時，它是平衡的，反之，它是不平衡的。 如圖7所示，當使用106玻璃布的電路測試相位變化時，微帶線在77 GHz的相位變化為64.7度/英寸。本實驗還采用開纖玻璃布的線路板材料。顧名思義，它的玻璃束被完全攤開像玻璃平板。玻璃交節仍然存在，但是沒有開口區域或開口區域非常小并且通常小于1mil（0.025mm）。 本實驗中使用的開纖玻璃布是1078玻璃布。使用與圖7中的相同設計的電路的測試，微帶線在77GHz處的相位變化為13.4度/英寸。很明顯，玻璃纖維效應會對線路板材料的電性能產生影響，特別是對于77 GHz汽車雷達和其他毫米波應用。 當在較高頻率下需要嚴格關注性能時，可使用沒有玻璃布的線路板材料-羅杰斯公司的RO3003和RO3003G2層壓板等線路板材料。這兩種材料沒有編織布增強，因此不會因玻璃纖維效應而對高頻電路而產生性能影響。但材料的強度性能仍然很好，完全確保77 GHz汽車雷達以及其他微波和毫米波電路性能可預測性和應用的可靠性。
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