淺析高頻電路設(shè)計(jì)中銅箔對(duì)于電氣性能的影響

引言

隨著未來(lái)可使用頻率的升高，對(duì)于高頻PCB設(shè)計(jì)的理念也在發(fā)生改變，例如高頻PCB越來(lái)越多的由單、雙面板向多層板結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)移，復(fù)雜的金屬化過(guò)孔結(jié)構(gòu)（任意層間互聯(lián)）正在取代簡(jiǎn)單的金屬化過(guò)孔或者非金屬化過(guò)孔結(jié)構(gòu)。

本文從TACONIC公司所使用的不同類(lèi)型的銅箔對(duì)電氣性能的影響入手，針對(duì)不同的高頻應(yīng)用場(chǎng)景，介紹了所對(duì)應(yīng)適用的“介質(zhì)＋銅箔”組合方式。

1、高頻PCB設(shè)計(jì)中傳輸線形式

按照微波技術(shù)理論[1]對(duì)于傳輸線路的劃分，TEM (Transverse Electromagnetic)傳輸線和波導(dǎo)都可以作為高頻信號(hào)傳輸?shù)妮d體，而TEM傳輸線結(jié)構(gòu)中的微帶線(Micro-strip line)、帶狀線(Strip-line)和波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中的基片集成波導(dǎo)(SIW, Substrate Integrated Waveguide)都被應(yīng)用在高頻PCB設(shè)計(jì)中。

在高頻PCB設(shè)計(jì)中，就高頻信號(hào)在不同傳輸線路中的衰減與銅箔之間的關(guān)系來(lái)講，微帶線和帶狀線受到銅箔的影響要遠(yuǎn)大于SIW結(jié)構(gòu)中銅箔的影響（或者說(shuō)SIW結(jié)構(gòu)中介質(zhì)的損耗對(duì)于整個(gè)傳輸線路插損的貢獻(xiàn)率更大[2,3]），因而下文主要圍繞銅箔在微帶線和帶狀線結(jié)構(gòu)中的相關(guān)問(wèn)題展開(kāi)。

2、趨膚效應(yīng)(Skin Effect)

圖1-1、微帶線結(jié)構(gòu)示意圖

圖1-2、帶狀線結(jié)構(gòu)示意圖

在微帶線或帶狀線設(shè)計(jì)中，當(dāng)高頻信號(hào)在導(dǎo)線中傳輸時(shí)，大部分電磁波能量會(huì)被束縛在導(dǎo)線與屏蔽層（地）之間的介質(zhì)層中，而趨膚效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致高頻信號(hào)的傳輸聚集在導(dǎo)線表面的薄層，且越靠近導(dǎo)線表面，交變電流密度也越大。對(duì)于微帶線而言，趨膚效應(yīng)將出現(xiàn)在微帶線與介質(zhì)接觸的位置（如圖1-1紅色所示位置），對(duì)于帶狀線而言，趨膚效應(yīng)將出現(xiàn)在帶狀線的表面與介質(zhì)接觸的位置（如圖1-2紅色所示位置）。通過(guò)趨膚深度的計(jì)算公式，可以得出趨膚深度隨頻率變化的變化趨勢(shì)（見(jiàn)圖2）。

圖2、趨膚深度與頻率的關(guān)系

通過(guò)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(dāng)頻率為5GHz時(shí)，趨膚深度降至1um左右，而在毫米波頻段（>26GHz），趨膚深度進(jìn)一步降低至0.5um以下。從側(cè)面說(shuō)明了與介質(zhì)接觸的銅箔粗糙度對(duì)于產(chǎn)品的插入損耗有著十分重要影響。這里所指的銅箔粗糙度可以是銅箔與基材介質(zhì)接觸面（Treated side of copper foil）的粗糙度，也可以是指銅箔表面（Untreated side of copper foil）經(jīng)過(guò)PCB制程后所產(chǎn)生的粗糙度，例如帶狀線設(shè)計(jì)中，蝕刻或壓合前內(nèi)層粗化所導(dǎo)致的銅箔表面（線條頂部和側(cè)壁）的粗糙度。

3、高頻設(shè)計(jì)中不同類(lèi)型銅箔對(duì)電性能的影響

在高頻線路板設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)師選材時(shí)對(duì)于PCB板材的介電常數(shù)（Dk）和正切角損耗（Df）通常比較關(guān)注，對(duì)于銅箔的選擇往往只關(guān)注銅箔的厚度，容易忽略了不同類(lèi)型銅箔的粗糙度對(duì)于產(chǎn)品電氣性能的影響。

接下來(lái)筆者從TACONIC公司可選的不同類(lèi)型銅箔入手，就銅箔類(lèi)型對(duì)電性能的影響進(jìn)行介紹。

3.1、不同類(lèi)型銅箔粗糙度情況

表1、不同類(lèi)型銅箔粗糙度微觀形貌一覽表

通過(guò)對(duì)于不同類(lèi)型銅箔與介質(zhì)接觸面的微觀形貌SEM分析可見(jiàn)，不同類(lèi)型的銅箔的粗糙度存在較大差異（本文以Rz ISO來(lái)表征粗糙程度），在微帶線的設(shè)計(jì)中，銅箔與介質(zhì)接觸面的粗糙度將直接影響整個(gè)傳輸線路的插入損耗。

圖3、傳輸線邊緣殘銅SEM照片

對(duì)于帶狀線的設(shè)計(jì)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(cè)壁的粗糙度，而這兩方面粗糙度的大小與PCB板廠的加工工藝以及加工能力有較大的關(guān)系，需對(duì)底銅厚度選擇、蝕刻藥水或內(nèi)層粗化藥水等進(jìn)行管控。否則，帶狀線表面的粗糙度過(guò)高，或者線條邊緣的殘銅（如圖3）都會(huì)導(dǎo)致傳輸線路電性能指標(biāo)的惡化，例如：插損、駐波、互調(diào)等。

3.2、不同類(lèi)型銅箔對(duì)于插入損耗的影響

圖4、TSM-DS3搭配不同類(lèi)型銅箔的插入損耗對(duì)比(50ohm微帶線)

在高頻設(shè)計(jì)中，傳輸線路插入損耗的降低，對(duì)于提升產(chǎn)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(zhì)，搭配不同類(lèi)型的銅箔，對(duì)50ohm微帶線進(jìn)行插入損耗的測(cè)試表明（如圖3所示），隨著頻率的增加，選用ULP銅箔對(duì)于降低線路的插入損耗有著極大的幫助，在45GHz下測(cè)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(guò)低損耗介質(zhì)材料（例如TSM-DS3）搭配粗糙度盡可能低的銅箔來(lái)降低傳輸線路的插入損耗。

3.3、不同類(lèi)型銅箔的對(duì)于互調(diào)性能的影響

在目前sub-6GHz的基站天線的應(yīng)用中，對(duì)于采用低損耗PTFE材料搭配RTF銅箔來(lái)增強(qiáng)互調(diào)指標(biāo)已經(jīng)得到業(yè)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(chǎng)應(yīng)用。

圖5、TACONIC基站天線材料搭配不同銅箔的互調(diào)測(cè)試對(duì)比

但是對(duì)于某些設(shè)計(jì)窗口窄，互調(diào)指標(biāo)要求苛刻的應(yīng)用場(chǎng)景，通過(guò)采用ULP銅箔來(lái)替換RTF銅箔，可以將互調(diào)指標(biāo)由-163dBc(均值)提升到-167dBc(均值)，PCB單元如果能夠提升4dB，將有助于提升整體天線的互調(diào)指標(biāo)。

4、不同類(lèi)型銅箔與介質(zhì)之間結(jié)合力對(duì)比

圖6、TSM-DS3與不同粗糙度銅箔的剝離強(qiáng)度(不同可靠性測(cè)試條件)

在高頻設(shè)計(jì)中，通過(guò)使用低粗糙度銅箔的辦法來(lái)提升產(chǎn)品電氣性能的同時(shí)，對(duì)于低粗糙度銅箔與介質(zhì)之間結(jié)合力能否滿足要求的擔(dān)憂時(shí)常被設(shè)計(jì)師們提及。針對(duì)這一顧慮，TACONIC公司通過(guò)工藝優(yōu)化，使ULP銅箔與介質(zhì)的結(jié)合力保持了與STD銅箔相同的水平（如圖6所示）。

5、高頻應(yīng)用PCB板材選取－“介質(zhì)＋銅箔”優(yōu)選組合

對(duì)于高頻應(yīng)用PCB板材的選取，需要綜合考量材料介質(zhì)基礎(chǔ)性能指標(biāo)（Dk,Df, CTE, TcK, 尺寸穩(wěn)定性，熱導(dǎo)系數(shù)等）、搭配何種銅箔、可加工性（多層板加工）、穩(wěn)定性（一致性）、成本等多方面的因素。根據(jù)TACONIC公司高頻材料的實(shí)際應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，并按照頻率的不同給出最優(yōu)的解決方案。

5.1、Sub-6GHz

在sub-6GHz的頻率下，銅箔對(duì)于線路插損的貢獻(xiàn)有限。以普通基站天線為例，PCB設(shè)計(jì)相對(duì)簡(jiǎn)單（層數(shù)最多不超過(guò)6L，以單、雙面板為主），但對(duì)于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(shí)際需求（包括插損和互調(diào)指標(biāo)）。但如果客戶對(duì)于插損和互調(diào)還需要進(jìn)一步的提升以滿足某些苛刻的指標(biāo)要求時(shí)，上述兩款材料均可以搭配ULP銅箔來(lái)使用，成本上會(huì)有一定的增加。

對(duì)于多層天線板而言，低損耗粘接片也必須作為考慮的因素之一，TACONIC公司的fastRiseTM系列粘接片(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(diào)指標(biāo)上提供幫助。

5.2、Above 6GHz

Above 6GHz的高頻PCB設(shè)計(jì)將會(huì)更為復(fù)雜，對(duì)于“介質(zhì)損耗”和“銅箔損耗”的要求更高，而且多層板結(jié)構(gòu)趨多，因而對(duì)于材料的PCB可加工性以及相關(guān)可靠性（金屬化過(guò)孔）的要求也更高。

針對(duì)Above 6GHz的應(yīng)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(shè)計(jì)的可實(shí)現(xiàn)性來(lái)講，TLY-5, TLY-5Z和TSM-DS3搭配ULP銅箔有著各自適用范圍：

（1）、“TLY-5+ULP銅箔”可適用于高至77GHz的設(shè)計(jì)，如果有多層板的結(jié)構(gòu)，層數(shù)以不高于6層且PCB板總厚不超過(guò)40mil為宜，不適合金屬化過(guò)孔太多的設(shè)計(jì)。

（2）、“TLY-5Z+ULP銅箔”適合頻率低于30GHz的設(shè)計(jì)，如果有多層板的結(jié)構(gòu)，層數(shù)以不高于12層且PCB板總厚不超過(guò)120mil為宜。

（3）、“TSM-DS3+ULP銅箔” 可適用于高至77GHz的設(shè)計(jì)，并搭配fastRiseTM 系列粘接片制作高頻多層線路板，能夠應(yīng)對(duì)多次壓合（優(yōu)異的尺寸穩(wěn)定性）[4]、密集金屬化過(guò)孔等復(fù)雜的PCB結(jié)構(gòu)。此外TSM-DS3穩(wěn)定的TcK系數(shù)（溫飄系數(shù):5.4ppm/C）也是其能在毫米波頻段應(yīng)用的重要指標(biāo)之一。

6、結(jié)語(yǔ)

在高頻PCB設(shè)計(jì)中，對(duì)于“介質(zhì)＋銅箔”組合的選擇，除了電氣性能最優(yōu)的原則之外，還應(yīng)同時(shí)考慮PCB可加工性（復(fù)雜結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)性）和成本等多方面的影響因素，以期找到一個(gè)最佳的平衡點(diǎn)。

作者：李俊，高級(jí)區(qū)域經(jīng)理，TACONIC泰康利