隨著無線通訊和寬帶網絡的發展，PCB已不再簡簡單單是在一些絕緣的基材上面布上金屬導線，實現互聯。在許許多多的情況下，基材和金屬導體已經成為功能元件的一部分。尤其是在射頻應用中，元件與基材相互作用，從而，PCB的設計和制造越來越對產品的功能產生至關重要的影響。如左圖1所示的微波板的一個典型部分，上面的導體都是一個個元件。

我們PCB制造者也更多的介入與設計相關的東西，尤其是到高頻，高速信號傳輸中更是如此。同樣設計者也必須對PCB制造工藝有深入的了解，才能綜合生產出合格的，高性能的PCB。

我們從這期開始介紹一些大家經常接觸的參數，由淺入深做一些技術探討，希望能夠加深設計與制造的溝通和交流。

1.介電常數

 介電常數（Dk, ε，Er）決定了電信號在該介質中傳播的速度。電信號傳播的速度與介電常數平方根成反比。介電常數越低，信號傳送速度越快。我們作個形象的比喻，就好想你在海灘上跑步，水深淹沒了你的腳踝，水的粘度就是介電常數，水越粘，代表介電常數越高，你跑的也越慢。

介電常數并不是非常容易測量或定義，它不僅與介質的本身特性有關，還與測試方法，測試頻率，測試前以及測試中的材料狀態有關。介電常數也會隨溫度的變化而變化,有些特別的材料在開發中就考慮到溫度的因素.濕度也是影響介電常數的一個重要因素,因為水的介電常數是70,很少的水分,會引起顯著的變化.

以下是一些典型材料的介電常數(在1Mhz下)：

可以看出，對于高速、高頻應用而言，最理想的材料是由銅箔包裹的空氣介質，厚度允差在＋/－0.0000”。作為材料開發，大家都在朝這個方向努力,如Arlon 專利開發的Foamclad非常適合機站天線的應用。但也并非介電常數越小越好,它往往根據一些實際的設計而定,一些要求體積很小的線路,常常需要高介電常數的材料,如Arlon的AR1000 用在小型化線路設計.有些設計如功放,常用介電常數2.55(如Arlon Diclad527, AD255等),或者介電常數3.5(如AD350,25N/FR等).也有采用4.5介電常數的,(如AD450)主要從FR-4設計改為高頻應用,而希望沿用以前設計.

   介電常數除了直接影響信號的傳輸速度以外,還在很大程度上決定特性阻抗,在不同的部分使得特性阻抗匹配在微波通信里尤為重要.如果出現阻抗不匹配的現象,阻抗不匹配也稱為VSWR (駐波比).

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CTEr:由于介電常數隨溫度變化,而微波應用的材料又常常在室外,甚至太空環境,所以CTEr(Coefficenc of Thermal of Er,介電常數隨溫度的變化系數)也是一個關鍵的參數.一些陶瓷粉填充的PTFE能夠有非常好的特性,如CLTE.

 2.損耗因子（Loss, loss tangent, Df, Dissipation factor）

除了介電常數,損耗因子是影響材料電氣特性的重要參數.介電損耗也稱損耗正切,損耗因子等,它是指信號在介質中丟失,也可以說是能量的損耗.這是因為高頻信號(它們不停地在正負相位間變換)通過介質層時,介質中的分子試圖根據這些電磁信號進行定向,雖然實際上,由于這些分子是交聯的,不能真正定向.但頻率的變化,使得分子不停地運動,產生大量的熱,造成了能量的損耗.而有些材料,如PTFE的分子是非極性的,所以不會受電磁場的影響變化,損耗也就較小. 同樣,損耗因子也跟頻率和測試方法有關.一般規律是在頻率越高,損耗越大.

最直觀的例子是傳輸中電能的消耗,如果電路設計損耗小,電池壽命可以明顯增加;在接收信號時,采用的損耗的材料,天線對信號的敏感度增加,信號更清晰.

常用的FR4環氧樹脂(Dk4.5)極性相對較強,在1GHz下,損耗約0.025,而PTFE基材(Dk2.17)在此條件下的損耗是0.0009.石英填充的聚酰亞胺與玻璃填充的聚酰亞胺相比,不僅介電常數低,而且損耗也較低,因為硅的含量較純.

3. 熱膨脹系數 (CTE)

熱膨脹系數通常簡寫為CTE(Coeffecient Thermal Efficent),它是材料的重要熱機械特性之一.指材料受熱的情況下膨脹的情況. 實際的材料膨脹是指體積變化,但由于基材的特性,我們往往分別考慮平面(X-, Y-)和垂直方向的膨脹(Z-).

平面的熱膨脹常?？梢酝ㄟ^增強層材料加以控制,(如玻璃布,石英, Thermount ), 而縱向的膨脹總是在玻璃轉化溫度以上難以控制.

平面的CTE對于安裝高密度的封裝至關重要,如果芯片(通常CTE在6-10ppm/C)安裝在常規PCB上(CTE 18ppm/C),通過多次的熱循環以后,可能造成焊點受力過度老化.而Z軸的CTE直接影響鍍孔的可靠性,尤其對于多層板而言.

通常PTFE的CTE較大,用純的PTFE制造多層板不太多見,常常采用陶瓷粉填充的PTFE, 如Arlon公司的CLTE, LCCLTE 等, 最有代表性的應用是制造高達64層多層板,用于全球通信衛星上.

在許多微波領域,有較多是大功率的應用,材料的散熱特性能在很大方面影響整個系統的可靠性.所以導熱系數也應當成為我們考慮的一個方面.有些特別的高可靠高功耗應用,還可以采用金屬襯(鋁基或銅基).

5.可制造性

我們了解,PTFE材料比較難于加工,尤其是孔金屬化,需要等離子體或萘鈉處理,提高它的活性,而且PTFE是熱塑性材料,多層板加工要求溫度較高. 現在也開發出了新的低損耗熱固性樹脂材料用于高頻線路,可以加工多層板,而無需等離子體活化, 如Arlon25N/FR. 目前大量用于LNA,PA 和天線設計中.吸潮性也是一個考慮因素.盡可能選用吸潮小的材料,電氣特性更加穩定.

6. 無源交調(PIM)

在射頻的前端設計,如天線,濾波都對無源交調有所要求.這也與PCB的基材相關. 有些公司采用特定的銅箔,使得無源交調保持在一定的范圍.下表給出沒有無源交調要求的板材和有特定要求的板材PIM的區別.

小結

微波材料的選擇主要通過介電常數,損耗,熱膨脹系數,導熱性幾方面選擇.