AGC旗下Taconic和Nelco的高頻高速PCB材料在毫米波不同應(yīng)用場景的解決方案

本篇節(jié)選AGC《淺談毫米波應(yīng)用PCB材料解決方案》

首先以Taconic和Nelco的高頻高速PCB材料為例，按照Dk和Df為坐標(biāo)進(jìn)行分類，可見PTFE樹脂體系材料（TLY-5Z, NF-30, TSM-DS3, fastRise）的介質(zhì)損耗低于PPO/PPE樹脂體系材料（以MW-4000為例）；碳?xì)錁渲w系材料并未列在圖1中，其介質(zhì)損耗大概在0.0030左右。。

圖1 AGC公司在毫米波應(yīng)用材料的矩陣圖

       此外，將圖1中的材料進(jìn)一步展開，按照產(chǎn)品結(jié)構(gòu)體系、適用PCB結(jié)構(gòu)、Dk/Df@10GHz、常用介質(zhì)厚度和實(shí)際應(yīng)用頻率等幾個(gè)關(guān)鍵維度進(jìn)行進(jìn)一步細(xì)化歸納為表2。其中混壓結(jié)構(gòu)是指所列材料與其它不同樹脂體系材料一起制作混壓多層板；Dk/Df的數(shù)據(jù)采用10GHz數(shù)據(jù)是基于純介質(zhì)的測試數(shù)據(jù)，不包含銅箔對于數(shù)據(jù)的影響，便于理解其介質(zhì)本身的電氣特點(diǎn)；應(yīng)用頻率是指該材料在實(shí)際的應(yīng)用案例中做達(dá)到工作頻率。

表2 AGC公司在毫米波應(yīng)用材料一覽表

3.1 TLY-5Z

TLY-5Z作為一款含有玻璃纖維布+陶瓷填料的低損耗PTFE材料，克服了常規(guī)低介電常數(shù)（Dk2.2）PTFE材料Z軸方向膨脹系數(shù)偏大的缺點(diǎn)（圖4），可以有效的提升金屬化過孔的長期可靠性（圖5）。同時(shí)，在相同的介質(zhì)厚度和阻抗控制下，低介電常數(shù)可使射頻線路設(shè)計(jì)得相對更寬，在毫米波頻段下，線路整體的插入損耗更低。

圖4 TLY-5Z與TLY-5 在Z軸方向熱膨脹系數(shù)對比

圖5 TLY-5Z, 40mil厚度, PTH冷熱循環(huán)100cycle, 孔口無斷裂

對于TLY-5Z的設(shè)計(jì)而言（典型應(yīng)用包括5G毫米波），其搭配ULP銅箔（HVLP-2級別）混壓PPO/PPE材料制作毫米波多層混壓板（如圖6所示）。

圖6 TLY-5Z應(yīng)用于毫米波天線設(shè)計(jì)

（TLY-5Z設(shè)計(jì)在Top 層作為毫米波天線整列）

3.2 NF-30

NF-30作為一款不含玻璃纖維布的PTFE材料，在保證極低介質(zhì)損耗的同時(shí)，能夠有效規(guī)避玻璃纖維所帶來的潛在CAF風(fēng)險(xiǎn)，并增強(qiáng)材料各向電氣性能一致性。此外，對于采用FOWLP方式封裝的毫米波芯片直接焊接到PCB上（焊在使用NF-30的天線層上）的情況，NF-30所具有的無編織玻璃布結(jié)構(gòu)能夠有效的吸收芯片與PCB之間CTE不匹配所造成的焊點(diǎn)內(nèi)應(yīng)力，從而確保芯片焊接的長期可靠性（焊點(diǎn)連接處可以經(jīng)受-55C~140C，1000cycle以上的冷熱循環(huán)測試而不失效）。

圖7 不同頻率下NF-30，5mil介質(zhì)厚度搭配ULPH銅箔的Design Dk

圖8 NF-30的Dk隨溫度變化的變化率（-55C～150C）

與此同時(shí)，由于NF-30系不含玻璃纖維結(jié)構(gòu)材料，其尺寸穩(wěn)定性不如帶玻璃纖維結(jié)構(gòu)材料，因而限制其應(yīng)用場景主要為混壓結(jié)構(gòu)，且NF-30多被設(shè)計(jì)于Top層。

圖9 NF-30不同批次在77GHz下Desgin Dk分布

圖10 NF-30搭配ULP銅箔與友商材料的插損材料對比

圖11 NF-30 搭配不同銅箔的插入損耗曲線

圖12 NF-30 搭配不同銅箔的Design Dk 趨勢

圖13 NF-30 PTH孔和激光盲孔可靠性

（冷熱循環(huán)1000次）

NF-30主要適合應(yīng)用在77GHz汽車毫米波雷達(dá)產(chǎn)品，對于下一代的77GHz汽車毫米波（4D雷達(dá)）的設(shè)計(jì)，建議采用NF-30搭配PPO/PPE材料制作混壓多層板（如圖14），在此種設(shè)計(jì)中，為了給Top 層的天線設(shè)計(jì)騰挪出足夠多的空間，毫米波芯片可以通過極聯(lián)的方式組裝在Bottom層，因而選擇PPO/PPE材料來降低芯片到天線層之間的鏈路損耗。此外，PPO/PPE材料更加適合多層板的加工，且成本低于碳?xì)錁渲牧稀?/span>

圖14 NF-30搭配PPO/PPE材料制作4D汽車?yán)走_(dá)

3.3 TSM-DS3

  在毫米波射頻應(yīng)用場景中，通過PCB射頻電路來替代線纜用以連接射頻單元的方案可以有效的減小產(chǎn)品尺寸，提升產(chǎn)品的集成度。但在使用PCB射頻電路替代線纜時(shí)，由于PCB方案的插入損耗比線纜高，且布線復(fù)雜程度增加會帶來多層板設(shè)計(jì)，因而需要盡可能選擇低損耗且易于進(jìn)行多層線路板加工的材料。

TSM-DS3作為一款含有玻璃纖維布+陶瓷填料的低損耗PTFE材料，具有極佳的尺寸穩(wěn)定行，搭配fastRise使用，可以制作高多層線路板（見圖15），并且在多次壓合后仍能保證良好的尺寸穩(wěn)定性。此外，TSM-DS3具有非常低的TcDK（5.4ppm/C, -55C~150C）（見圖16）以及優(yōu)異的環(huán)境耐受性，因而在毫米波頻段的電氣性能更加穩(wěn)定。

圖15 TSM-DS3搭配fastRise制作純PTFE材料多層板

圖16 TSM-DS3 TcDK數(shù)據(jù)

圖17 TSM-DS3搭配不同類型銅箔的插損曲線

圖18 TSM-DS3應(yīng)用于毫米波天線設(shè)計(jì)

（TSM-DS3設(shè)計(jì)在Top 層作為毫米波天線整列）

對TSM-DS3的設(shè)計(jì)而言（典型應(yīng)用包括5G毫米波、衛(wèi)通毫米波地面天線）可以選擇TSM-DS3搭配ULP銅箔（HVLP-2級別）混壓PPO/PPE材料制作毫米波多層混壓板（如圖18所示）。

3.4 Meteorwave系列

Meteorwave系列材料為PPO/PPE樹脂體系材料，與PTFE樹脂體系材料和碳?xì)錁渲w系材料相比（見表1），其優(yōu)勢在于：（1）優(yōu)異的PCB可加工性（與FR-4相當(dāng)），尤其在多層板的加工；（2）介質(zhì)損耗（以MW-4000為例）居于PTFE和碳?xì)錁渲牧现g；（3）材料的價(jià)格最低。PPO/PPE在毫米波應(yīng)用其最大的優(yōu)勢在于能夠最大程度的降低多層板的內(nèi)層電路損耗，提升產(chǎn)品的可設(shè)計(jì)性和可制造性。在這一方面PTFE材料和碳?xì)錁渲牧隙际请y以完全勝任的。接下來我們以Meteorwave系列中的MW-4000為例展開進(jìn)行討論：

圖19 MW-4000，5mil介質(zhì)搭配HVLP-2銅箔的Design Dk

圖20 MW-4000介質(zhì)損耗隨頻率的變化趨勢

     從MW-4000的Design Dk和介質(zhì)損耗隨頻率的變化全是來看，Design Dk隨著頻率的增加而出現(xiàn)下降的趨勢（見圖19），在26GHz～40GHz的建議Desgin Dk值可以按照3.34來進(jìn)行設(shè)定；77GHz頻段按照3.32來進(jìn)行設(shè)定。介質(zhì)損耗在26GHz～100GHz以內(nèi)變化很小，不超過0.0005（見圖20）。

圖21 MW-4000與同族其它型號材料的插損對比

     MW-4000在同族系列材料中的插入損耗處在Ultra Low loss水平（見圖21），MW-4000搭配HVLP-2銅箔的插損的表現(xiàn)在40GHz以內(nèi)，不超過0.45dB/inch。

圖22 MW-4000與NF-30及其它友商材料的插損對比

MW-4000的插入損耗在與NF-30以及其它友商材料的插損對比中可以看出（見圖22），MW-4000搭配HVLP-2銅箔的插損是低于某友商PTFE樹脂體系材料搭配HTE銅箔的插損，但由于MW-4000的Dk在3.4附近，所以其在阻抗一定的情況下，其設(shè)計(jì)線寬會略小于Dk3.0的材料，所以其插損與同級別的友商Dk3.0的PPO/PPE樹脂材料相比，MW-4000搭配HVLP-2銅箔的插損略高于友商PPO/PPE材料搭配HVLP-2銅箔(粗糙度1.0um)。但這里需要注意的一點(diǎn)是，我們通過使用HVLP-3銅箔（粗糙度<0.8um）可以進(jìn)一步降低MW-4000的插損，但是在實(shí)際的應(yīng)用中會產(chǎn)生另外兩個(gè)問題：（1）銅箔的附著力降低，不適合在最外層微帶線結(jié)構(gòu)的天線應(yīng)用；（2）成本會增加（HVLP-3貴過HVLP-2）；根據(jù)我們的經(jīng)驗(yàn)，在毫米波天線應(yīng)用中：40GHz以下的毫米波天線，MW-4000搭配HVLP-2銅箔用著天線層完全可以勝任，在內(nèi)層走線（低頻數(shù)字信號）是銅箔可以搭配RTF-2級別的銅箔。

圖23 MW-4000可以制作復(fù)雜結(jié)構(gòu)的PCB板

由于MW-4000在高多層高速數(shù)字PCB中的應(yīng)用已有多年的成熟經(jīng)驗(yàn)，因而對于MW-4000在可加工性和可靠性方面數(shù)據(jù)就不過多列舉，僅展示其幾種典型的多層板結(jié)構(gòu)切片（見圖23）。

對于MW-4000的設(shè)計(jì)建議而言（典型應(yīng)用包括5G毫米波、77GHz 汽車4D雷達(dá)、衛(wèi)通毫米波地面天線），我們建議客戶可以采用多層板（同種材料）和PTFE材料+MW-4000混壓多層板的方案（圖24）。

圖24 MW-4000 在毫米波應(yīng)用的設(shè)計(jì)建議方案

3.5 fastRise系列超低損耗粘結(jié)片

 fastRise具一款改性PTFE膜+低損耗熱固性樹脂的粘結(jié)片，其主要用途在于兩張以上PTFE芯板之間提供低損耗的粘結(jié)介質(zhì)。其優(yōu)點(diǎn)在于：（1）超低介質(zhì)損耗0.0017@40GHz；（2）壓制厚度從2.1mil～5mil可選；（3）壓合溫度215C，適合多次壓合；在具體的毫米波產(chǎn)品設(shè)計(jì)中（典型應(yīng)用包括5G毫米波、衛(wèi)通毫米波地面天線），對帶狀線結(jié)構(gòu)天線圖形走線提供超低損耗粘結(jié)片的方案（如圖25）。

圖25 fastRise典型設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)

4. 結(jié)論

 本文從毫米波應(yīng)用對PCB材料的選型依據(jù)入手，通過比較不同樹脂體系材料、搭配的銅箔類型和PCB可加工性等對毫米波產(chǎn)品性能影響，討論了不同毫米波應(yīng)用場景（包括5G毫米波、車載毫米波雷達(dá)、衛(wèi)通毫米波天線等）下所對應(yīng)的PCB材料解決方案以及各種材料方案。

在具體的毫米波材料選型過程中，需要綜合考慮電氣性能（包括介質(zhì)損耗、TcDk）、PCB可加工性、成本等三方面的因素，以期達(dá)到性能與成本的最優(yōu)配比，而不能一味的追求成本最低或者性能最優(yōu)。當(dāng)然，作者認(rèn)為采用混壓結(jié)構(gòu)（PTFE+PPO/PPE）混壓結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)能夠最大的程度的在提升毫米波天線性能的同時(shí)，來降低PCB的成本。這種混壓結(jié)構(gòu)的組合在5G毫米波、77GHz汽車?yán)走_(dá)（4D雷達(dá)）和衛(wèi)通地面天線等應(yīng)用中越來越多的出現(xiàn)。