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浅析高频电路设计中铜箔对于电气性能的影响

2017-05-22 来源:李俊 [责任编辑:wenwei]
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5分
【导读】面向2020年及未来,移动通信技术和产业将迈入第五代移动通信(5G)的发展阶段,5G将满足人们对于超高数据传输速率、超高移动性等方面的需求,为了应对海量、高速的数据传输,具有较大带宽的毫米波频谱资源将在2019年后进一步开放。
 
随着未来可使用频率的升高,对于高频PCB设计的理念也在发生改变,例如高频PCB越来越多的由单、双面板向多层板结构转移,复杂的金属化过孔结构(任意层间互联)正在取代简单的金属化过孔或者非金属化过孔结构。
 
本文从TACONIC公司所使用的不同类型的铜箔对电气性能的影响入手,针对不同的高频应用场景,介绍了所对应适用的“介质+铜箔”组合方式。
 
1、高频PCB设计中传输线形式
 
按照微波技术理论[1]对于传输线路的划分,TEM (Transverse Electromagnetic)传输线和波导都可以作为高频信号传输的载体,而TEM传输线结构中的微带线(Micro-strip line)、带状线(Strip-line)和波导结构中的基片集成波导(SIW, Substrate Integrated Waveguide)都被应用在高频PCB设计中。
 
在高频PCB设计中,就高频信号在不同传输线路中的衰减与铜箔之间的关系来讲,微带线和带状线受到铜箔的影响要远大于SIW结构中铜箔的影响(或者说SIW结构中介质的损耗对于整个传输线路插损的贡献率更大[2,3]),因而下文主要围绕铜箔在微带线和带状线结构中的相关问题展开。
 
2、趋肤效应(Skin Effect)
 
浅析高频电路设计中铜箔对于电气性能的影响 
图1-1、微带线结构示意图
 
浅析高频电路设计中铜箔对于电气性能的影响  
图1-2、带状线结构示意图
 
在微带线或带状线设计中,当高频信号在导线中传输时,大部分电磁波能量会被束缚在导线与屏蔽层(地)之间的介质层中,而趋肤效应会导致高频信号的传输聚集在导线表面的薄层,且越靠近导线表面,交变电流密度也越大。对于微带线而言,趋肤效应将出现在微带线与介质接触的位置(如图1-1红色所示位置),对于带状线而言,趋肤效应将出现在带状线的表面与介质接触的位置(如图1-2红色所示位置)。通过趋肤深度的计算公式,可以得出趋肤深度随频率变化的变化趋势(见图2)。
 
浅析高频电路设计中铜箔对于电气性能的影响
图2、趋肤深度与频率的关系
 
通过图2可以清晰的看出,趋肤深度随着频率的增加而显著降低,当频率为5GHz时,趋肤深度降至1um左右,而在毫米波频段(>26GHz),趋肤深度进一步降低至0.5um以下。从侧面说明了与介质接触的铜箔粗糙度对于产品的插入损耗有着十分重要影响。这里所指的铜箔粗糙度可以是铜箔与基材介质接触面(Treated side of copper foil)的粗糙度,也可以是指铜箔表面(Untreated side of copper foil)经过PCB制程后所产生的粗糙度,例如带状线设计中,蚀刻或压合前内层粗化所导致的铜箔表面(线条顶部和侧壁)的粗糙度。
 
3、高频设计中不同类型铜箔对电性能的影响
 
在高频线路板设计中,设计师选材时对于PCB板材的介电常数(Dk)和正切角损耗(Df)通常比较关注,对于铜箔的选择往往只关注铜箔的厚度,容易忽略了不同类型铜箔的粗糙度对于产品电气性能的影响。
 
接下来笔者从TACONIC公司可选的不同类型铜箔入手,就铜箔类型对电性能的影响进行介绍。
 
3.1、不同类型铜箔粗糙度情况
 
浅析高频电路设计中铜箔对于电气性能的影响
表1、不同类型铜箔粗糙度微观形貌一览表
  
通过对于不同类型铜箔与介质接触面的微观形貌SEM分析可见,不同类型的铜箔的粗糙度存在较大差异(本文以Rz ISO来表征粗糙程度),在微带线的设计中,铜箔与介质接触面的粗糙度将直接影响整个传输线路的插入损耗。
 
浅析高频电路设计中铜箔对于电气性能的影响
图3、传输线边缘残铜SEM照片
 
对于带状线的设计而言,除了要考虑铜箔Treated side的粗糙度之外,还需要考虑铜箔Untreated side以及线条侧壁的粗糙度,而这两方面粗糙度的大小与PCB板厂的加工工艺以及加工能力有较大的关系,需对底铜厚度选择、蚀刻药水或内层粗化药水等进行管控。否则,带状线表面的粗糙度过高,或者线条边缘的残铜(如图3)都会导致传输线路电性能指标的恶化,例如:插损、驻波、互调等。
 
3.2、不同类型铜箔对于插入损耗的影响
 
浅析高频电路设计中铜箔对于电气性能的影响  
图4、TSM-DS3搭配不同类型铜箔的插入损耗对比(50ohm微带线)
 
在高频设计中,传输线路插入损耗的降低,对于提升产品增益与功率效有着积极的意义。本文以TACONIC低损耗材料TSM-DS3(Dk 3.0, Df: 0.0011@10GHz)为介质,搭配不同类型的铜箔,对50ohm微带线进行插入损耗的测试表明(如图3所示),随着频率的增加,选用ULP铜箔对于降低线路的插入损耗有着极大的帮助,在45GHz下测试的TSM-DS3搭配ULP铜箔的插损为-0.24dB/10mm,比同频段下搭配STD铜箔的插损低约77%。这不得不使我们考虑如何通过低损耗介质材料(例如TSM-DS3)搭配粗糙度尽可能低的铜箔来降低传输线路的插入损耗。
 
3.3、不同类型铜箔的对于互调性能的影响
 
在目前sub-6GHz的基站天线的应用中,对于采用低损耗PTFE材料搭配RTF铜箔来增强互调指标已经得到业界广泛的接受,例如TACONIC的RF-30, RF-30-7H, RF-30A, TLX-8-P搭配RTF铜箔在基站天线市场应用。
 
浅析高频电路设计中铜箔对于电气性能的影响  
图5、TACONIC基站天线材料搭配不同铜箔的互调测试对比
 
但是对于某些设计窗口窄,互调指标要求苛刻的应用场景,通过采用ULP铜箔来替换RTF铜箔,可以将互调指标由-163dBc(均值)提升到-167dBc(均值),PCB单元如果能够提升4dB,将有助于提升整体天线的互调指标。
 
4、不同类型铜箔与介质之间结合力对比
 
浅析高频电路设计中铜箔对于电气性能的影响 
图6、TSM-DS3与不同粗糙度铜箔的剥离强度(不同可靠性测试条件)
 
在高频设计中,通过使用低粗糙度铜箔的办法来提升产品电气性能的同时,对于低粗糙度铜箔与介质之间结合力能否满足要求的担忧时常被设计师们提及。针对这一顾虑,TACONIC公司通过工艺优化,使ULP铜箔与介质的结合力保持了与STD铜箔相同的水平(如图6所示)。
 
5、高频应用PCB板材选取-“介质+铜箔”优选组合
 
对于高频应用PCB板材的选取,需要综合考量材料介质基础性能指标(Dk,Df, CTE, TcK, 尺寸稳定性,热导系数等)、搭配何种铜箔、可加工性(多层板加工)、稳定性(一致性)、成本等多方面的因素。根据TACONIC公司高频材料的实际应用经验,并按照频率的不同给出最优的解决方案。
 
5.1、Sub-6GHz
 
在sub-6GHz的频率下,铜箔对于线路插损的贡献有限。以普通基站天线为例,PCB设计相对简单(层数最多不超过6L,以单、双面板为主),但对于PCB的综合成本比较敏感。TACONIC公司的RF-30A (Dk 2.97, Df0.0012 @ 1.9GHz)和TLX-8-P (Dk2.55, Df 0.0010 @ 1.9GHz)两款材料搭配RTF铜箔均能满足大部分客户的实际需求(包括插损和互调指标)。但如果客户对于插损和互调还需要进一步的提升以满足某些苛刻的指标要求时,上述两款材料均可以搭配ULP铜箔来使用,成本上会有一定的增加。
 
对于多层天线板而言,低损耗粘接片也必须作为考虑的因素之一,TACONIC公司的fastRiseTM系列粘接片(Dk2.43~2.76, Df: 0.0014@ 10GHz)可以为客户在多层天线板中降低线路插损和维持互调指标上提供帮助。
 
5.2、Above 6GHz
 
Above 6GHz的高频PCB设计将会更为复杂,对于“介质损耗”和“铜箔损耗”的要求更高,而且多层板结构趋多,因而对于材料的PCB可加工性以及相关可靠性(金属化过孔)的要求也更高。
 
针对Above 6GHz的应用,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铜箔可以极大的降低线路插入损耗。
 
从适用频率以及设计的可实现性来讲,TLY-5, TLY-5Z和TSM-DS3搭配ULP铜箔有着各自适用范围:
 
(1)、“TLY-5+ULP铜箔”可适用于高至77GHz的设计,如果有多层板的结构,层数以不高于6层且PCB板总厚不超过40mil为宜,不适合金属化过孔太多的设计。
 
(2)、“TLY-5Z+ULP铜箔”适合频率低于30GHz的设计,如果有多层板的结构,层数以不高于12层且PCB板总厚不超过120mil为宜。
 
(3)、“TSM-DS3+ULP铜箔” 可适用于高至77GHz的设计,并搭配fastRiseTM 系列粘接片制作高频多层线路板,能够应对多次压合(优异的尺寸稳定性)[4]、密集金属化过孔等复杂的PCB结构。此外TSM-DS3稳定的TcK系数(温飘系数:5.4ppm/C)也是其能在毫米波频段应用的重要指标之一。
 
6、结语
 
在高频PCB设计中,对于“介质+铜箔”组合的选择,除了电气性能最优的原则之外,还应同时考虑PCB可加工性(复杂结构的实现性)和成本等多方面的影响因素,以期找到一个最佳的平衡点。
 
作者:李俊,高级区域经理,TACONIC泰康利
 
参考文献
 
[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] 杨维生,微波器件高频多层板制造工艺研究,2015春季国际PCB技术/信息论坛。
 
 
 
 
 
 
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关键字:高频电路 铜箔 电气性能 
本文链接:http://www.cntronics.com/connect-art/80032563
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