隨著未來可使用頻率的升高，對于高頻PCB設計的理念也在發(fā)生改變，例如高頻PCB越來越多的由單、雙面板向多層板結構轉移，復雜的金屬化過孔結構（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構。

 

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，針對不同的高頻應用場景，介紹了所對應適用的“介質＋銅箔”組合方式。

 

 

按照微波技術理論[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的載體，而TEM傳輸線結構中的微帶線(Micro-strip line)、帶狀線(Strip-line)和波導結構中的基片集成波導(SIW, Substrate Integrated Waveguide)都被應用在高頻PCB設計中。

 

在高頻PCB設計中，就高頻信號在不同傳輸線路中的衰減與銅箔之間的關系來講，微帶線和帶狀線受到銅箔的影響要遠大于SIW結構中銅箔的影響（或者說SIW結構中介質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構中的相關問題展開。

 

 

　

圖1-1、微帶線結構示意圖

 

　　

圖1-2、帶狀線結構示意圖

 

在微帶線或帶狀線設計中，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）之間的介質層中，而趨膚效應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，趨膚效應將出現(xiàn)在微帶線與介質接觸的位置（如圖1-1紅色所示位置），對于帶狀線而言，趨膚效應將出現(xiàn)在帶狀線的表面與介質接觸的位置（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。從側面說明了與介質接觸的銅箔粗糙度對于產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）經過PCB制程后所產生的粗糙度，例如帶狀線設計中，蝕刻或壓合前內層粗化所導致的銅箔表面（線條頂部和側壁）的粗糙度。

 

 

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

 

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），在微帶線的設計中，銅箔與介質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系，需對底銅厚度選擇、蝕刻藥水或內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)

 

在高頻設計中，傳輸線路插入損耗的降低，對于提升產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，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性能的影響

 

在目前sub-6GHz的基站天線的應用中，對于采用低損耗PTFE材料搭配RTF銅箔來增強互調指標已經得到業(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用。

 

　　

圖5、TACONIC基站天線材料搭配不同銅箔的互調測試對比

 

但是對于某些設計窗口窄，互調指標要求苛刻的應用場景，通過采用ULP銅箔來替換RTF銅箔，可以將互調指標由-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)

 

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

 

 

對于高頻應用PCB板材的選取，需要綜合考量材料介質基礎性能指標（Dk,Df, CTE, TcK, 尺寸穩(wěn)定性，熱導系數等）、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TACONIC公司高頻材料的實際應用經驗，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設計相對簡單（層數最多不超過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（包括插損和互調指標）。但如果客戶對于插損和互調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指標上提供幫助。

 

5.2、Above 6GHz

 

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

 

針對Above 6GHz的應用，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的設計，如果有多層板的結構，層數以不高于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計。

 

（2）、“TLY-5Z+ULP銅箔”適合頻率低于30GHz的設計，如果有多層板的結構，層數以不高于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的設計，并搭配fastRiseTM 系列粘接片制作高頻多層線路板，能夠應對多次壓合（優(yōu)異的尺寸穩(wěn)定性）[4]、密集金屬化過孔等復雜的PCB結構。此外TSM-DS3穩(wěn)定的TcK系數（溫飄系數:5.4ppm/C）也是其能在毫米波頻段應用的重要指標之一。

 

 

在高頻PCB設計中，對于“介質＋銅箔”組合的選擇，除了電氣性能最優(yōu)的原則之外，還應同時考慮PCB可加工性（復雜結構的實現(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/信息論壇。