隨著未來可使用頻率的升高，對于高頻PCB設(shè)計的理念也在發(fā)生改變，例如高頻PCB越來越多的由單、雙面板向多層板結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)移，復雜的金屬化過孔結(jié)構(gòu)（任意層間互聯(lián)）正在取代簡單的金屬化過孔或者非金屬化過孔結(jié)構(gòu)。

 

本文從TACONIC公司所使用的不同類型的銅箔對電氣性能的影響入手，針對不同的高頻應(yīng)用場景，介紹了所對應(yīng)適用的“介質(zhì)＋銅箔”組合方式。

 

 

按照微波技術(shù)理論[1]對于傳輸線路的劃分，TEM (Transverse Electromagnetic)傳輸線和波導都可以作為高頻信號傳輸?shù)妮d體，而TEM傳輸線結(jié)構(gòu)中的微帶線(Micro-strip line)、帶狀線(Strip-line)和波導結(jié)構(gòu)中的基片集成波導(SIW, Substrate Integrated Waveguide)都被應(yīng)用在高頻PCB設(shè)計中。

 

在高頻PCB設(shè)計中，就高頻信號在不同傳輸線路中的衰減與銅箔之間的關(guān)系來講，微帶線和帶狀線受到銅箔的影響要遠大于SIW結(jié)構(gòu)中銅箔的影響（或者說SIW結(jié)構(gòu)中介質(zhì)的損耗對于整個傳輸線路插損的貢獻率更大[2,3]），因而下文主要圍繞銅箔在微帶線和帶狀線結(jié)構(gòu)中的相關(guān)問題展開。

 

 

　

圖1-1、微帶線結(jié)構(gòu)示意圖

 

　　

圖1-2、帶狀線結(jié)構(gòu)示意圖

 

在微帶線或帶狀線設(shè)計中，當高頻信號在導線中傳輸時，大部分電磁波能量會被束縛在導線與屏蔽層（地）之間的介質(zhì)層中，而趨膚效應(yīng)會導致高頻信號的傳輸聚集在導線表面的薄層，且越靠近導線表面，交變電流密度也越大。對于微帶線而言，趨膚效應(yīng)將出現(xiàn)在微帶線與介質(zhì)接觸的位置（如圖1-1紅色所示位置），對于帶狀線而言，趨膚效應(yīng)將出現(xiàn)在帶狀線的表面與介質(zhì)接觸的位置（如圖1-2紅色所示位置）。通過趨膚深度的計算公式，可以得出趨膚深度隨頻率變化的變化趨勢（見圖2）。

 

圖2、趨膚深度與頻率的關(guān)系

 

通過圖2可以清晰的看出，趨膚深度隨著頻率的增加而顯著降低，當頻率為5GHz時，趨膚深度降至1um左右，而在毫米波頻段（>26GHz），趨膚深度進一步降低至0.5um以下。從側(cè)面說明了與介質(zhì)接觸的銅箔粗糙度對于產(chǎn)品的插入損耗有著十分重要影響。這里所指的銅箔粗糙度可以是銅箔與基材介質(zhì)接觸面（Treated side of copper foil）的粗糙度，也可以是指銅箔表面（Untreated side of copper foil）經(jīng)過PCB制程后所產(chǎn)生的粗糙度，例如帶狀線設(shè)計中，蝕刻或壓合前內(nèi)層粗化所導致的銅箔表面（線條頂部和側(cè)壁）的粗糙度。

 

 

在高頻線路板設(shè)計中，設(shè)計師選材時對于PCB板材的介電常數(shù)（Dk）和正切角損耗（Df）通常比較關(guān)注，對于銅箔的選擇往往只關(guān)注銅箔的厚度，容易忽略了不同類型銅箔的粗糙度對于產(chǎn)品電氣性能的影響。

 

接下來筆者從TACONIC公司可選的不同類型銅箔入手，就銅箔類型對電性能的影響進行介紹。

 

3.1、不同類型銅箔粗糙度情況

 

表1、不同類型銅箔粗糙度微觀形貌一覽表

　　

通過對于不同類型銅箔與介質(zhì)接觸面的微觀形貌SEM分析可見，不同類型的銅箔的粗糙度存在較大差異（本文以Rz ISO來表征粗糙程度），在微帶線的設(shè)計中，銅箔與介質(zhì)接觸面的粗糙度將直接影響整個傳輸線路的插入損耗。

　

圖3、傳輸線邊緣殘銅SEM照片

 

對于帶狀線的設(shè)計而言，除了要考慮銅箔Treated side的粗糙度之外，還需要考慮銅箔Untreated side以及線條側(cè)壁的粗糙度，而這兩方面粗糙度的大小與PCB板廠的加工工藝以及加工能力有較大的關(guān)系，需對底銅厚度選擇、蝕刻藥水或內(nèi)層粗化藥水等進行管控。否則，帶狀線表面的粗糙度過高，或者線條邊緣的殘銅（如圖3）都會導致傳輸線路電性能指標的惡化，例如：插損、駐波、互調(diào)等。

 

3.2、不同類型銅箔對于插入損耗的影響

 

　　

圖4、TSM-DS3搭配不同類型銅箔的插入損耗對比(50ohm微帶線)

 

在高頻設(shè)計中，傳輸線路插入損耗的降低，對于提升產(chǎn)品增益與功率效有著積極的意義。本文以TACONIC低損耗材料TSM-DS3（Dk 3.0, Df: 0.0011@10GHz）為介質(zhì)，搭配不同類型的銅箔，對50ohm微帶線進行插入損耗的測試表明（如圖3所示），隨著頻率的增加，選用ULP銅箔對于降低線路的插入損耗有著極大的幫助，在45GHz下測試的TSM-DS3搭配ULP銅箔的插損為-0.24dB/10mm，比同頻段下搭配STD銅箔的插損低約77%。這不得不使我們考慮如何通過低損耗介質(zhì)材料（例如TSM-DS3）搭配粗糙度盡可能低的銅箔來降低傳輸線路的插入損耗。

 

3.3、不同類型銅箔的對于互調(diào)性能的影響

 

在目前sub-6GHz的基站天線的應(yīng)用中，對于采用低損耗PTFE材料搭配RTF銅箔來增強互調(diào)指標已經(jīng)得到業(yè)界廣泛的接受，例如TACONIC的RF-30, RF-30-7H, RF-30A, TLX-8-P搭配RTF銅箔在基站天線市場應(yīng)用。

 

　　

圖5、TACONIC基站天線材料搭配不同銅箔的互調(diào)測試對比

 

但是對于某些設(shè)計窗口窄，互調(diào)指標要求苛刻的應(yīng)用場景，通過采用ULP銅箔來替換RTF銅箔，可以將互調(diào)指標由-163dBc(均值)提升到-167dBc(均值)，PCB單元如果能夠提升4dB，將有助于提升整體天線的互調(diào)指標。

 

 

　

圖6、TSM-DS3與不同粗糙度銅箔的剝離強度(不同可靠性測試條件)

 

在高頻設(shè)計中，通過使用低粗糙度銅箔的辦法來提升產(chǎn)品電氣性能的同時，對于低粗糙度銅箔與介質(zhì)之間結(jié)合力能否滿足要求的擔憂時常被設(shè)計師們提及。針對這一顧慮，TACONIC公司通過工藝優(yōu)化，使ULP銅箔與介質(zhì)的結(jié)合力保持了與STD銅箔相同的水平（如圖6所示）。

 

 

對于高頻應(yīng)用PCB板材的選取，需要綜合考量材料介質(zhì)基礎(chǔ)性能指標（Dk,Df, CTE, TcK, 尺寸穩(wěn)定性，熱導系數(shù)等）、搭配何種銅箔、可加工性（多層板加工）、穩(wěn)定性（一致性）、成本等多方面的因素。根據(jù)TACONIC公司高頻材料的實際應(yīng)用經(jīng)驗，并按照頻率的不同給出最優(yōu)的解決方案。

 

5.1、Sub-6GHz

 

在sub-6GHz的頻率下，銅箔對于線路插損的貢獻有限。以普通基站天線為例，PCB設(shè)計相對簡單（層數(shù)最多不超過6L，以單、雙面板為主），但對于PCB的綜合成本比較敏感。TACONIC公司的RF-30A (Dk 2.97, Df0.0012 @ 1.9GHz)和TLX-8-P (Dk2.55, Df 0.0010 @ 1.9GHz)兩款材料搭配RTF銅箔均能滿足大部分客戶的實際需求（包括插損和互調(diào)指標）。但如果客戶對于插損和互調(diào)還需要進一步的提升以滿足某些苛刻的指標要求時，上述兩款材料均可以搭配ULP銅箔來使用，成本上會有一定的增加。

 

對于多層天線板而言，低損耗粘接片也必須作為考慮的因素之一，TACONIC公司的fastRiseTM系列粘接片(Dk2.43~2.76, Df: 0.0014@ 10GHz)可以為客戶在多層天線板中降低線路插損和維持互調(diào)指標上提供幫助。

 

5.2、Above 6GHz

 

Above 6GHz的高頻PCB設(shè)計將會更為復雜，對于“介質(zhì)損耗”和“銅箔損耗”的要求更高，而且多層板結(jié)構(gòu)趨多，因而對于材料的PCB可加工性以及相關(guān)可靠性（金屬化過孔）的要求也更高。

 

針對Above 6GHz的應(yīng)用，TACONIC公司的TLY-5 (Dk2.2, Df: 0.0009@10GHz)，TLY-5Z (Dk 2.2, Df: 0.0013 @10GHz) 和TSM-DS3 (Dk3.0, Df: 0.0011 @10GHz) 搭配ULP銅箔可以極大的降低線路插入損耗。

 

從適用頻率以及設(shè)計的可實現(xiàn)性來講，TLY-5, TLY-5Z和TSM-DS3搭配ULP銅箔有著各自適用范圍：

 

（1）、“TLY-5+ULP銅箔”可適用于高至77GHz的設(shè)計，如果有多層板的結(jié)構(gòu)，層數(shù)以不高于6層且PCB板總厚不超過40mil為宜，不適合金屬化過孔太多的設(shè)計。

 

（2）、“TLY-5Z+ULP銅箔”適合頻率低于30GHz的設(shè)計，如果有多層板的結(jié)構(gòu)，層數(shù)以不高于12層且PCB板總厚不超過120mil為宜。

 

（3）、“TSM-DS3+ULP銅箔” 可適用于高至77GHz的設(shè)計，并搭配fastRiseTM 系列粘接片制作高頻多層線路板，能夠應(yīng)對多次壓合（優(yōu)異的尺寸穩(wěn)定性）[4]、密集金屬化過孔等復雜的PCB結(jié)構(gòu)。此外TSM-DS3穩(wěn)定的TcK系數(shù)（溫飄系數(shù):5.4ppm/C）也是其能在毫米波頻段應(yīng)用的重要指標之一。

 

 

在高頻PCB設(shè)計中，對于“介質(zhì)＋銅箔”組合的選擇，除了電氣性能最優(yōu)的原則之外，還應(yīng)同時考慮PCB可加工性（復雜結(jié)構(gòu)的實現(xiàn)性）和成本等多方面的影響因素，以期找到一個最佳的平衡點。

 

作者：李俊，高級區(qū)域經(jīng)理，TACONIC泰康利

 

參考文獻

 

[1] David M.Pozar, Microwave engineering. 4th Edition

 

[2] Yu Jian Cheng, Xiao Liang Liu, W-Band characterizations of printed circuitboard based on substrate integrated waveguide multi-resonator method, IEEE Transactionson microwave theory and techniques, vol.64 No.2 Feb., 2016.

 

[3] Chuanan Zhang, Xin Luo, etc. Low cost planar antenna technologies formicrowave backhaul. 2015 IEEE 4th Asia-Pacific Conference on Antennas andPropagation (APCAP).

 

[4] 楊維生，微波器件高頻多層板制造工藝研究，2015春季國際PCB技術(shù)/信息論壇。