淺析高頻電路材料和印刷電路板的長期可靠性

隨著復(fù)雜性和密度的逐漸提高，射頻/微波電路組件的長期可靠性變得更加難以表征。印刷電路板（PCBs）包含許多有源和無源部件，其性能會隨時(shí)間和工作環(huán)境溫度等發(fā)生變化。另外，PCB的基板材料如介質(zhì)、銅箔導(dǎo)體、防焊油墨阻焊層以及最終鍍層等也會隨著時(shí)間發(fā)生改變，而且工作環(huán)境會對這個(gè)時(shí)間產(chǎn)生影響。頻率較高時(shí)，隨著時(shí)間的變化可能會發(fā)生電性能的變化，如功率和效率損失。無論是短期還是長期影響，這種影響均可能會產(chǎn)生。電路材料和PCB性能的長期變化均是由于熱效應(yīng)引起的，例如工作在高溫環(huán)境下。

短期暴露于高溫環(huán)境，如PCB組裝中回流焊的高溫，一般不會影響電路材料或PCB的電氣性能。但是，當(dāng)溫度超過電路材料的相對熱指數(shù)（RTI）或PCB的最高工作溫度（MOT）時(shí)，就會影響到電氣性能。如果溫度高于電路材料的裂解溫度（Td），即使只是幾分鐘，也會引起電氣性能的變化。RTI是一個(gè)基于溫度測量確定的電路材料參數(shù)，表示電路材料在其一個(gè)或多個(gè)關(guān)鍵特性不發(fā)生降級的情況下承受的最高溫度。

MOT是一個(gè)經(jīng)美國保險(xiǎn)商實(shí)驗(yàn)室（UL）認(rèn)證的電路級參數(shù)，適用于整個(gè)PCB，包括介質(zhì)和導(dǎo)體層。這兩個(gè)參數(shù)屬同類參數(shù)，均用于指示最高溫度，但是RTI是指電路材料的最高溫度，如層壓材料本身；而MOT則適用于制成的完整的PCB板及將電路材料加工成PCB板后的最高工作溫度。電路的MOT不會超過其基板的RTI，因?yàn)閁L不會為高于其材料RTI的電路簽發(fā)MOT。

高頻電路層壓板材料是由介質(zhì)材料和銅箔作為導(dǎo)體構(gòu)成，基于熱塑性或熱固性材料。熱塑性材料通常是軟質(zhì)的或撓性的，而熱固性材料則是更硬，剛性的。熱塑性材料可加熱至熔化或回流溫度，但熱固性材料不能加熱至回流溫度。在溫度足夠高時(shí)，熱固性材料就會發(fā)生分解。

用于射頻/微波/毫米波PCB的熱塑料性材料通常是基于聚四氟乙烯（PTFE）的。雖然其他材料也可單獨(dú)或與PTFE一起用作高頻電路基板，但是許多射頻/微波/毫米波PCB均以某種形式使用PTFE。用于射頻/微波/毫米波PCB的熱固性材料，一般是基于良好的尺寸穩(wěn)定性且有成本優(yōu)勢的碳?xì)浠衔飿渲蚓郾矫眩≒PE或PPO）聚合樹脂。

基于PTFE的熱塑性電路材料由于其穩(wěn)定性，及長期使用和高溫環(huán)境下電氣性能變化小備受好評。與此相反，基于碳?xì)漕惢騊PE的熱固性電路材料制成的電路會隨著時(shí)間和溫度變化，其電氣性能會變化，且這種變化的大小將取決于具體的電路材料構(gòu)成。

對于近乎純PTFE的電路材料，如羅杰斯公司的RT/duroid 5880層壓板，其電氣性能在長期使用和高溫（高于室溫或25°C）環(huán)境下表現(xiàn)非常穩(wěn)定。對于PTFE與其他材料結(jié)合以調(diào)整介電常數(shù)（Dk）或提供某種電路所需性能（如毫米波頻段）的材料，由于其他材料的不同，其性能隨時(shí)間和溫度的變化會變得不同。例如，羅杰斯公司的RO3003材料即是一種基于PTFE樹脂系統(tǒng)且含有陶瓷填料和其他添加劑的電路材料，用于汽車?yán)走_(dá)和毫米波頻段的電路應(yīng)用場景。如圖1所示，它表現(xiàn)出與基于幾乎純PTFE的材料不同的老化特性。

如圖1所示，這兩種材料的熱老化特性均變化較?。篋k或相對介電常數(shù)（εr）變化均小于1%。最初兩種材料都會出現(xiàn)Dk降低，這與在150°C高溫條件下使材料變干相關(guān)。雖然這兩種材料都是低吸濕性的，但在微觀層面上它們在測試之前都會攜帶一些水分。當(dāng)高溫下祛除材料中的水分時(shí)，Dk就會降低。RO3003層壓板的PTFE配方要比RT/duroid 5880材料的更復(fù)雜，對高溫和烘干作用也有不同的反應(yīng)。但是，對于150°C條件下的長期老化來說，這兩種材料不到1%的Dk變化被認(rèn)為是非常穩(wěn)健的。

與熱塑性材料相比，熱固性材料在長期高溫暴露下的Dk變化要更大一些。但是，Dk變化量與熱固性材料的配方密切相關(guān)，且熱固性材料Dk變化的原因與熱塑性材料的有很大不同。

熱固性電路材料在高溫條件下的自然反應(yīng)是氧化。氧化在室溫條件下很慢，但在高溫條件下則會加速。熱固性基材的氧化僅限于氧化滲透進(jìn)材料的深度，在材料表面的反應(yīng)會隨著更多的氧化物在表面堆積而發(fā)生變化，直到氧化過程停止為止。對于熱固性材料來說，氧化過程的速度和氧化物滲透材料的深度將取決于材料的配方。例如，有許多類型的抗氧化劑（AOs）可以包含在配方中以用于減緩氧化過程，根據(jù)材料配方的不同，一些抗氧化劑要比其他更有效。

圖2對兩種熱固性碳?xì)鋵訅喊暹M(jìn)行了比較，其中一種的氧化性能較差，另一種則含有最有抗氧化AO成分，可最大限度地減小氧化效應(yīng)及提供穩(wěn)健的長期老化性能。添加AO的好處可從Dk隨時(shí)間變化的穩(wěn)定性看出。圖2的數(shù)據(jù)是，由X波段固定式帶狀線諧振器測試方法所測量高溫條件下的Dk隨時(shí)間的變化。測試材料完全暴露在環(huán)境中，所示數(shù)據(jù)是利用Arrhenius方程推測至更長時(shí)間的數(shù)據(jù)。這一加速老化方法可對長期熱老化效應(yīng)進(jìn)行推算，且無需進(jìn)行長時(shí)間的測試。該測試數(shù)據(jù)將某碳?xì)漕悓訅喊迮c具有長期穩(wěn)定的抗老化性能的材料—羅杰斯公司的RO4835電路材料進(jìn)行了比較。RO4835材料傳承了RO4350B層壓板特性，具有完全相同的電氣性能。作為圖2中時(shí)間刻度的參考，1.0E+05小時(shí)即等于11.4年。

▲圖1：RT/duroid 5880層壓板和RO3003層壓板介質(zhì)的長期老化

▲ 圖2：對熱固性碳?xì)潆娐凡牧?5°C的長期老化進(jìn)行比較

該老化試驗(yàn)的Dk測試是基于IPC-TM-650 2.5.5.5c定義的X波段固定式帶狀線諧振器測試方法以評估材料的Dk變化量。測試頻率是10GHz，被測樣品需要全部蝕刻掉銅箔，僅保留介質(zhì)材料。當(dāng)以電路形式對電路材料進(jìn)行老化評估時(shí)，其老化效應(yīng)是不同的，因?yàn)殂~層可保護(hù)介質(zhì)材料，預(yù)防氧化。保護(hù)量則取決于圖3中所示的不同結(jié)構(gòu)。

▲ 圖3：簡單的側(cè)視圖顯示為不同的RF結(jié)構(gòu)，及氧化（黃色）如何滲透熱固性介質(zhì)材料。

▲圖4：裸露介質(zhì)材料（完全腐蝕）與20-mil RO4350B 層壓板（Std）和20-mil RO4350B LoPro 層壓板（LoPro）上的50 Ω 微帶線電路進(jìn)行比較

圖3中的描述近似顯示了在介質(zhì)材料上是如何形成氧化的。在裸露基板面上會形成氧化層，甚至一些氧化層會達(dá)到銅箔導(dǎo)體下面。換句話說，大部分的氧化都在材料表面，隨著氧化的梯度積累，會有少量氧化會進(jìn)入表面下方，但這種表面下方的氧化會逐漸減少。

電路材料參數(shù)Dk和損耗因子（Df）會在存在氧化的情況下變大。有幾個(gè)因素將決定氧化對電路材料的射頻/微波/毫米波電氣性能的影響程度。介質(zhì)電路越薄將受到的影響將越大，這是因?yàn)檠趸瘜⒃谡麄€(gè)介質(zhì)材料中占比更大。

根據(jù)電路中電磁（EM）場的不同，氧化對射頻/微波/毫米波電路不同結(jié)構(gòu)的影響也不同。例如，對于微帶線來說，大多數(shù)EM場均位于信號導(dǎo)體底部與接地層頂部之間，以及信號導(dǎo)體左右有很強(qiáng)的邊緣場，信號會因?yàn)槌浞值难趸l(fā)生變化。雖然微帶線可能不會受到氧化的顯著影響，但是在高頻毫米波頻率時(shí)可以檢測到氧化帶來的影響。較厚的微帶線電路的這一影響要小于較薄的微帶線電路。

從信號導(dǎo)體的位置能明顯看出，帶狀線結(jié)構(gòu)一般不受氧化的影響（圖3）。然而，對于微帶線邊緣耦合電路，其耦合場位于電路基板表面以及約偏下方處并于氧化層相交，氧化會降低射頻/微波/毫米波性能。當(dāng)在毫米波頻率下，氧化對于薄基板上的接地共面波導(dǎo)（GCPW）電路的影響可能也是顯著的。

介質(zhì)特性解密

在進(jìn)行的材料老化過程和測試中，是通過X波段固定式帶狀線諧振器測試方法以確定介質(zhì)材料的特性。由于介質(zhì)材料在老化期間是完全暴露在環(huán)境中的，所以介質(zhì)材料的所有表面均被氧化，如圖3中所示。也就是說，當(dāng)將材料放入固定式帶狀線諧振器中形成帶狀線諧振時(shí)，介質(zhì)的八個(gè)表面均會有氧化。根據(jù)試驗(yàn)材料的不同，需要在夾具中放置的材料數(shù)量也不同氧化也有所不同。但是，與以電路形式的測試相比，該測量方法中材料的氧化要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大的多。

為了防止氧化的影響，RO4835電路層壓板是采用了最佳組合的AO添加劑配制而成。除此之外，RO4835電路壓板還采用了與傳統(tǒng)RO4350B電路材料相同的配方，其中后者一直是高功率射頻/微波電路的可靠電路材料基板。由于擁有最佳的AO添加劑組合，RO4835層壓板需要比RO4350B層壓板長達(dá)10倍時(shí)間才能達(dá)到相同氧化水平。

事實(shí)上，除了氧化差異以外，RO4350B層壓板在大功率應(yīng)用中表現(xiàn)出了良好的長期老化性能。一般情況下，RO4350B層壓板的長期老化問題均與具有耦合特性的電路有關(guān)，如定向耦合器。為了更好地了解電路特征在電路材料長期老化性能中的作用，將具有電路特征的材料與以相同方式處理但不含銅（銅完全腐蝕掉、沒有電路特性）的相同介質(zhì)材料進(jìn)行比較。

本次比較采用了羅杰斯公司的RO4350B層壓板和RO4350B LoPro層壓板的多種電路結(jié)構(gòu)，電路包括50 Ω微帶線電路、微帶線邊緣耦合帶通濾波器和微帶線階躍阻抗低通濾波器。RO4350B LoPro層壓板與公司的RO4350B層壓板相同，僅是采用更為光滑的低輪廓銅箔以降低射頻/微波/毫米波頻率下的插入損耗。

圖4比較了兩種電路材料的多個(gè)長期老化效應(yīng)。Dk隨時(shí)間變化最大的就是完全蝕刻掉銅箔的材料樣本（標(biāo)識為完全腐蝕），即裸露的介質(zhì)材料。該裸露材料上沒有電路，是在+50°C條件下的X波段固定式帶狀線諧振器夾具中測試其特征。而以50 Ω微帶線進(jìn)行試驗(yàn)的電路，其不同溫度條件下電路表征出來的Dk變化就小得多。

在高溫下，利用傳輸線電路對長期老化進(jìn)行評估的樣本，發(fā)現(xiàn)需要更長的時(shí)間（10~100倍）才能達(dá)到與完全蝕刻掉銅箔的樣本的相同的氧化水平。圖4中也顯示了各種不同溫度下的樣品的的氧化和Dk變化量。如果測試電路是在相同材料上制作的，但厚度不同，那么氧化影響也可能不同。

利用低通階躍阻抗濾波器研究老化影響與傳輸線電路的樣本類似。微帶線邊緣耦合帶通濾波器的樣本受氧化影響約大。要達(dá)到與完全蝕刻掉銅箔的（裸露介質(zhì)）樣本相同的氧化水平，仍需要3~5倍的時(shí)間。緊耦合電路受到的氧化影響要比松耦合電路大。另外，測試溫度不同其氧化時(shí)間跨度也不同，在最高溫度條件下，由于氧化導(dǎo)致的電路材料Dk的差異則最大。

防焊油墨、帕利靈涂層和防潮絕緣膠等應(yīng)用于電路中，可以降低熱固性氧化影響。防焊油墨可顯著降低老化影響，但通常也會降低射頻性能。當(dāng)厚度為25 μm或以上應(yīng)用時(shí)，帕利靈涂層也有助于將長期老化的氧化影響降至最低水平。HumiSeal也有助于最大限度地減少氧化影響，雖然有很多類型可以選擇，但是有些類型在降低老化影響方面更有效一些。

結(jié)論

電路材料在加工期間會短時(shí)間暴露于高溫下，而在使用過程中會長期暴露在高溫中。長期高溫的影響通常被認(rèn)為是PCB熱固性介質(zhì)材料上的氧化積累，這可能導(dǎo)致電路材料Dk的偏移。確定電路材料對長期老化影響的敏感程度需要進(jìn)行精確和仔細(xì)的測試，因?yàn)樵诿枋龈哳l電路材料時(shí)，不同的測量方法和技術(shù)會得出截然不同的測量結(jié)果。選擇正確的測試方法，無論是基于材料還是基于電路的測試，均可在Dk和電路建模時(shí)提供可靠的數(shù)據(jù)。

審核編輯：劉清