Manufacturing Technology

优化设计及制造工艺可以获取一致性的PCB介电常数和相位

现在电子信息产品特别是微波器件的高速发展，集成度极大的提高和数字化、高频化、多功能化和在特殊环境中应用等要求已经向一般的 PTFE 高频板以及制造工艺提出了挑战。对于微波 PCB 的高速、高频化的特性, 主要是通过两方面的技术途径：一方面是使这种发展成为高密度布线微细导线及间距、微小孔径、薄形以及导通、绝缘的高可靠性。这样, 可以进一步缩短信号传输的距离, 以减少它在传输中的损失。另一方面, 要采用具有高速、高频特性的用基板材料。而后者的实现, 是要求业开展对这类基板材料比较深入的了解、研究工作找出并掌握准确控制的工艺方法, 以此来达到所选用的基板材料与的制造工艺、性能及成本要求能够实现合理匹配的目的。

在更高的频率下从任何印刷电路板PCB获得一致且可预测的相位并不是一项琐碎或常规的工作。高频高速PCB的信号相位在很大程度上取决于其传输线的结构及其电路材料的介电常数（Dk）。在Dk最低的任何物体（例如Dk为1.0的空气）中，电磁波传播最快。随着Dk的增加，波的传播变慢，对传播信号的相位响应产生相应的影响。当传播介质的Dk发生变化时，会发生波形相位失真，因为在传播介质中，波形可能会分别加速或减速，而Dk会分别变低或变高。

电路材料的Dk通常是各向异性的，在长度，宽度和厚度的三个维度（3D）（x，y和z）中具有不同的Dk值。对于某些类型的电路设计，不仅必须考虑Dk的差异，还必须考虑电路制造方法中已经包括Dk对相位的影响。

是什么导致电路材料的Dk发生变化？

在某些情况下，PCB上Dk的差异是由于材料效应（例如铜表面粗糙度的变化）引起的。在某些情况下，Dk变化是由PCB制造方法引起的。某些PCB Dk的变化是由于恶劣的环境（例如较高的工作温度）引起的。通过了解PCB的Dk如何因材料特性，制造方法，环境甚至是Dk测试方法而变化，可以更好地理解和预测转化为PCB相变的Dk变化，并且有希望实现最小化。

各向异性是重要的电路材料属性，Dk的变化特性非常类似于3D数学张量。三个轴上不同的Dk值会导致三个方向上的电通量和电场强度不同。取决于用于电路的传输线的类型，具有耦合架构的电路的相位可以通过材料各向异性来改变，电路的性能取决于其在电路材料上的取向。通常，电路材料的各向异性随厚度和频率而变化，并且Dk值较低的材料的各向异性较小。材料增强也可以发挥作用：带有玻璃纤维增强的电路材料通常比没有增强玻璃的电路材料更具各向异性。当相位至关重要并且PCB Dk是电路设计建模的一部分时，两种材料之间Dk值的比较应始终针对同一轴。

深入设计Dk

电路的有效Dk是基于EM波如何通过某些类型的传输线电路传播的值。根据传输线的不同，一些EM波将通过形成传输线的导电金属的组合传播，一些通过PCB的介电材料，而另一些通过PCB周围的空气传播。空气的Dk值（1.00）低于任何电路材料，因此有效Dk是在传输线导体中传播，在电介质材料中以及部分在基板周围空气中的EM波的组合Dk值。设计Dk试图提供有效Dk的更为实用的版本，并结合了不同传输线技术，制造方法，导体甚至用于测量Dk的测试方法的影响。设计Dk是在以电路形式进行测试时从材料中提取的Dk，并且是在电路设计和仿真中使用的适当Dk值。设计Dk不是电路的有效Dk，但是设计Dk使用有效Dk测量来确定材料的Dk，如电路性能所示。

给定电路材料上电路不同部分的变化会导致设计Dk的变化。例如，形成电路导体的铜的厚度变化意味着每种不同厚度的设计Dk都不同，并意味着由这些导体形成的电路的相位响应会发生变化。铜导体表面的粗糙程度也会影响设计Dk和相位响应，较光滑的铜（例如轧制铜）对设计Dk或相位响应的影响要小于粗糙铜。

PCB介电材料的厚度将决定导体铜表面粗糙度对设计Dk和电路相位响应的影响。较厚的基板材料往往会最小化铜导体表面粗糙度的影响，即使对于表面较粗糙的铜导体，其设计Dk值也更接近基板材料的本征Dk。例如，ROGERS公司的6.6mil厚的RO4350B电路材料在8至40GHz的平均设计Dk值为3.96。对于厚度为30mils的相同材料，在相同频率范围内， Dk设计值降至平均值3.68。在两倍于厚度（60mils）的情况下，设计Dk为3.66，这是玻璃纤维增强层压板的固有Dk。

从这个例子中，较厚的电路基板可以提供较低的Dk设计值以及相关的优势。但是，在由较厚的基板材料制成的电路上，尤其是在信号波长较小的毫米波频率下，在较高的频率上实现一致的幅度和相位往往会更加困难。较高频率的电路更适合于用较薄的电路材料，其中材料的介电部分对设计Dk和电路性能的影响较小。较薄的PCB基板主要受导体效应的影响，以实现信号损耗和相位性能。在毫米波频率下，就电路材料的设计Dk而言，它们也比较厚的基板对导体特性（例如铜表面粗糙度）更敏感。

选择电路

在射频/微波和毫米波频率下，电路设计人员依赖于几种不同的传输线技术，例如微带，带状线和接地共面波导（GCPW）电路，每个人都要求不同的制造方法以及相关优势的挑战。例如，GCPW电路耦合行为的差异将影响电路的设计Dk。紧密耦合的GCPW电路，具有紧密间隔的传输线，通过更有效地利用共面耦合区域之间的空气进行EM传播，将损耗降到最低。通过使用较粗的铜导体，耦合导体的侧壁更高，并且耦合区域中的更多空气用于EM传播。这有助于最小化电路损耗，但强调最小化铜导体厚度变化的重要性。

对于给定的电路和电路材料，许多因素都会影响Dk的设计。工作温度将根据电路材料的Dk温度系数（TCDk）改变设计Dk和性能，较低的值表示对温度的依赖性较小。高相对湿度（RH）可以提高电路材料的设计Dk，特别是对于高吸湿性的材料。电路材料的特性以及电路制造过程和操作环境中的因素都在确定电路材料的设计Dk中发挥作用。通过了解这些影响，可以将其影响降到最低。