Manufacturing Technology

深入分析高频板料随温度变化的特性

高频板材料的性能可以通过多种不同的参数进行评估，包括常见的介电常数（Dk）和耗散因数（Df）。这两个参数会随高频板材料温度变化而发生变化，这种随温度变化的参数有助于人们了解高频板材料可能会发生的性能上的改变。特别是介电常数热稳定系数（TCDk）和损耗因子热稳定系数（TCDf），它们提供了详细依据来说明材料的Dk和Df随温度的变化量，这些指标变化越小表示材料（在温度上）性能更稳定。

理想高频板材料的TCDk值，即使温度发生变化也会保持固定的Dk值，其TCDk的值为0ppm/℃。然而，在现实世界中，Dk值是会随着线路板材料温度的变化而变化的。只有TCDk值非常低的高频板材料才能被认为是具有随温度稳定Dk的材料，通常TCDk的这个值要小于50ppm/℃。当某一应用要求高频板需要经受较大的工作温度范围，并且需要始终保持稳定的性能时，电路板的TCDk参数就是在确定该电路所需的Dk后要考虑的关键参数之一。

由于军事用途的高频电路或系统通常具有恶劣的现场操作环境，所以军事应用的电路和航空航天应用的电路对温度稳定性有非常严格的指标要求。相比之下，商业应用的电路环境也同样存在温度的变化，这些应用条件可能需要高频电路材料比一般普通的线路板具有更好的TCDk性能。无线基站或室外微基站的功率放大器可能不会遇到军事环境下那么宽的温度波动，但它们依赖电路Dk及其温度稳定性来保持稳定的增益和输出功率。这些有源器件与典型的50欧姆电路/系统环境实现阻抗匹配，以获得最佳的增益、输出功率和功率附加效率，而Dk的变化会导致放大器性能的变化。除了环境温度外，功率放大器自身的发热效应也可会使材料的Dk特性随温度变化，进而导致功放性能变化进一步复杂化，特别是对于那些具有高TCDk值的高频板材料。

类似地，诸如滤波器等无源组件可能因为Dk发生改变而产生不期望的频率变化，例如通带和阻带的频移。理想情况下，无线基站将保持在温度稳定的环境中，但是在现实世界中通常也不是这样，因此高频板的TCDk参数就成为一个关键性能指标。

当产品的温度性能很重要时，就应该特别留意选择特定的高频板材料，并仔细查看其数据表。电路设计工程师不能凭空假定来自同一制造商或同一产品系列的两种材料会具有相同的TCDk特性。例如，基于PTFE的不同线路板材料可能具有完全不同的TCDk值。当然，PTFE是性能优异、低损耗的高频电路材料，但它的TCDk特性可能会有很大差异。一些基于PTFE的高频材料的Dk随温度的变化很大，TCDk值达200ppm/℃甚至更高。

同时，一些基于PTFE的高频板材料可以提供接近理想状态的TCDk特性。来自罗杰斯公司的基于PTFE的Rogers RO3003PTFE陶瓷电路材料具有-3ppm/°C的超出色TCDk性能，使其成为面向宽工作温度范围的温度敏感电路设计的强有力的候选。这个系列的线路层压板的Dk值从3.00到10.00，注意该Dk值是在10GHz的频率下测量材料z轴（厚度）方向时获得的值。该系列高频板是从应用于77GHz的毫米波频率到更高军事或商业应用电路的理想选择，包括在宽极端温度下需要保持稳定性能的汽车雷达系统。

通过设计一组实验，比较了高TCDk材料与RO3003™材料的不同TCDk值带来的影响。测试基于相同设计的一组50Ω微带线电路来观察设计Dk和相位在不同温度下的变化情况。测试结果如图所示：

罗杰斯RO3003™材料由于其具有非常小的TCDk值，在77GHz时其Dk和电路的相位角几乎没有任何变化。而高TCDk材料在77GHz时的Dk变化达0.031，相位变化达到17度。当使用高TCDk材料的毫米波汽车雷达传感器应用在不同的温度环境时，如此高的Dk和相位变化就会严重影响系统的一致性。

正如高频板材料的供应商可以以不同的方式测试和确定其材料的Dk值一样，如使用不同的测试频率。为了方便对比不同材料之间的TCDk性能，就需要有一个确定的公认的TCDk测量标准，这样才能有效的比较高频板材料TCDk性能。材料测量通常基于行业标准的IPC测试方法，以便在不同材料供应商之间达成一致。

例如，罗杰斯公司的线路层压板TCDk的测量是基于IPC测试方法，即采用IPC-TM-6502.5.5.5c标准中规定的带状线测试方法。在测试线路层压板之前，将所有的铜箔从基板上蚀刻掉，然后将介质片夹入固定装置中，形成松耦合的带状线谐振器。待测试的夹具及其材料放入实验室温度控制的环境中，如高低温箱。在测量Dk之前，逐步改变温度，使夹具和材料达到每个温度变化的热平衡点。反复执行多次测量以覆盖宽的工作温度范围，并在该温度范围内的不同点测量Dk。最终结果就是该材料的Dk与温度的曲线，即该材料的TCDk。

与温度相关的损耗
正如TCDk特性是材料Dk随温度变化的晴雨表一样，TCDf是电路材料的损耗因子（Df）或损耗角正切的度量，它也是随温度变化而变化的，通常是随着温度的升高损耗会增加。与TCDk一样，TCDf的影响可能会影响有源和无源电路的性能。在较高温度下，具有高TCDf值的线路板材料可能会损害如有源放大器的增益和输出功率，也会增加无源电路（如滤波器或无源天线）中的损耗。

来自罗杰斯公司高频板材料的TCDf值的获取方法与刚刚提到的TCDk的测量方法类似，由于测量用的谐振器电路的损耗特性随温度的变化，以及铜的电导率随着温度的变化，使得TCDf的测量变得非常复杂。所以测试中不是试图测量Df与温度的关系从而导出材料的TCDf值，而是以测品质因数的倒数（1/Q）的间接形式来测量谐振器的损耗情况。与TCDk一样，TCDf的理想值接近于零，表示材料随温度变化很小或没有变化。但在现实世界中，对于温度敏感电路应用而言，不论有源或无源电路，具有最低TCDf值的电路材料将是优选的。

上述所有信息都是关于较短时间内温度对高频板材料Dk和Df特性（TCDk和TCDf）的影响。对于长期处于热暴露环境下线路层压板的TCDk和TCDf响应又是另一个讨论范畴，这些性能与长期热老化评估相关。这些老化评估对于理解是否对能适应最终使用环境的高频板材料做出了正确选择，以及考虑在产品的使用寿命内满足预期应用的需要至关重要。