隨著未來可使用頻率的升高
，對於高頻PCB設計的理念也在發生改變
，例如高頻PCB越來越多的由單
、雙麵板向多層板結構轉移
，複雜的金屬化過孔結構（任意層間互聯）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]對於傳輸線路的劃分
，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係來講，微帶線和帶狀線受到銅箔的影響要遠大於SIW結構中銅箔的影響（或者說SIW結構中介質的損耗對於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zhi間jian的de介jie質zhi層ceng中zhong，而er趨qu膚fu效xiao應ying會hui導dao致zhi高gao頻pin信xin號hao的de傳chuan輸shu聚ju集ji在zai導dao線xian表biao麵mian的de薄bo層ceng，且qie越yue靠kao近jin導dao線xian表biao麵mian，交jiao變bian電dian流liu密mi度du也ye越yue大da。對dui於yu微wei帶dai線xian而er言yan，趨qu膚fu效xiao應ying將jiang出chu現xian在zai微wei帶dai線xian與yu介jie質zhi接jie觸chu的de位wei置zhi（如圖1-1紅色所示位置）
，對於帶狀線而言，趨膚效應將出現在帶狀線的表麵與介質接觸的位置（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係

 

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(yi)下(xia)。從(cong)側(ce)麵(mian)說(shuo)明(ming)了(le)與(yu)介(jie)質(zhi)接(jie)觸(chu)的(de)銅(tong)箔(bo)粗(cu)糙(cao)度(du)對(dui)於(yu)產(chan)品(pin)的(de)插(cha)入(ru)損(sun)耗(hao)有(you)著(zhe)十(shi)分(fen)重(zhong)要(yao)影(ying)響(xiang)。這(zhe)裏(li)所(suo)指(zhi)的(de)銅(tong)箔(bo)粗(cu)糙(cao)度(du)可(ke)以(yi)是(shi)銅(tong)箔(bo)與(yu)基(ji)材(cai)介(jie)質(zhi)接(jie)觸(chu)麵(mian)（Treated side of copper foil）的粗糙度，也可以是指銅箔表麵（Untreated side of copper foil）經過PCB製程後所產生的粗糙度
，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麵（線條頂部和側壁）的粗糙度。

 

 

在高頻線路板設計中，設計師選材時對於PCB板材的介電常數（Dk）和正切角損耗（Df）通常比較關注，對於銅箔的選擇往往隻關注銅箔的厚度，容易忽略了不同類型銅箔的粗糙度對於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

　　

通過對於不同類型銅箔與介質接觸麵的微觀形貌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
，銅箔與介質接觸麵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

 

對於帶狀線的設計而言，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
，而這兩方麵粗糙度的大小與PCB板廠的加工工藝以及加工能力有較大的關係，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，帶狀線表麵的粗糙度過高
，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、不同類型銅箔對於插入損耗的影響

 

　　

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
，對於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銅箔對於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
、不同類型銅箔的對於互調性能的影響

 

在目前sub-6GHz的基站天線的應用中，對於采用低損耗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

 

但是對於某些設計窗口窄，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，將有助於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zai高gao頻pin設she計ji中zhong

，通tong過guo使shi用yong低di粗cu糙cao度du銅tong箔bo的de辦ban法fa來lai提ti升sheng產chan品pin電dian氣qi性xing能neng的de同tong時shi
，對dui於yu低di粗cu糙cao度du銅tong箔bo與yu介jie質zhi之zhi間jian結jie合he力li能neng否fou滿man足zu要yao求qiu的de擔dan憂you時shi常chang被bei設she計ji師shi們men提ti及ji。針zhen對dui這zhe一yi顧gu慮lv

，TACONIC公司通過工藝優化，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）。

 

 

對於高頻應用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, 尺寸穩定性，熱導係數等）、搭配何種銅箔、可加工性（多層板加工）、穩定性（一致性）
、成本等多方麵的因素。根據TACONIC公司高頻材料的實際應用經驗，並按照頻率的不同給出最優的解決方案。

 

5.1

、Sub-6GHz

 

在sub-6GHz的頻率下，銅箔對於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
、雙麵板為主），但對於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）。但如果客戶對於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。

 

對於多層天線板而言
，低損耗粘接片也必須作為考慮的因素之一，TACONIC公司的fastRiseTM係列粘接片(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設計將會更為複雜，對於“介質損耗”和“銅箔損耗”的要求更高，而且多層板結構趨多
，因而對於材料的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性來講，TLY-5, TLY-5Z和TSM-DS3搭配ULP銅箔有著各自適用範圍：

 

（1）
、“TLY-5+ULP銅箔”可適用於高至77GHz的設計，如果有多層板的結構

，層數以不高於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”適合頻率低於30GHz的設計，如果有多層板的結構，層數以不高於12層且PCB板總厚不超過120mil為宜。

 

（3）
、“TSM-DS3+ULP銅箔” 可適用於高至77GHz的設計，並搭配fastRiseTM 係列粘接片製作高頻多層線路板，能夠應對多次壓合（優異的尺寸穩定性）[4]、密集金屬化過孔等複雜的PCB結構。此外TSM-DS3穩定的TcK係數（溫飄係數: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
，對於“介質＋銅箔”組合的選擇，除了電氣性能最優的原則之外，還應同時考慮PCB可加工性（複雜結構的實現性）和成本等多方麵的影響因素，以期找到一個最佳的平衡點。

 

作者：李俊，高級區域經理，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製造工藝研究
，2015春季國際PCB技術/信息論壇。