淺析高頻電路設(shè)計中銅箔對于電氣性能的影響摘要：本文從TACONIC公司所使用的不同類型的銅箔粗糙度對電氣性能的影響入手，針對不同的高頻應(yīng)用場景，介紹了所對應(yīng)適用的“介質(zhì)＋銅箔”組合方式。關(guān)鍵詞：高頻，銅箔粗糙度，TSM-DS3,fastRiseTM引言面向2020年及未來，移動通信技術(shù)和產(chǎn)業(yè)將邁入第五代移動通信（5G）的發(fā)展階段，5G將滿足人們對于超高數(shù)據(jù)傳輸速率、超高移動性等方面的需求，為了應(yīng)對海量、高速的數(shù)據(jù)傳輸，具有較大帶寬的毫米波頻譜資源將在2019年后進(jìn)一步開放。隨著未來可使用頻率的升高，對于高頻PCB設(shè)計的理念也在發(fā)生改變，例如高頻PCB越來越多的由單、雙面板向多層板結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)移，復(fù)雜的金屬化過孔結(jié)構(gòu)（任意層間互聯(lián)）正在取代簡單的金屬化過孔或者非金屬化過孔結(jié)構(gòu)。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(yīng)用場景，介紹了所對應(yīng)適用的“介質(zhì)＋銅箔”組合方式。1、高頻PCB設(shè)計中傳輸線形式按照微波技術(shù)理論[1]對于傳輸線路的劃分，TEM(TransverseElectromagnetic)傳輸線和波導(dǎo)都可以作為高頻信號傳輸?shù)妮d體，而TEM傳輸線結(jié)構(gòu)中的微帶線(Micro-stripline)、帶狀線(Strip-line)和波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中的基片集成波導(dǎo)(SIW,SubstrateIntegratedWaveguide)都被應(yīng)用在高頻PCB設(shè)計中。在高頻PCB設(shè)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(guān)系來講，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SIW結(jié)構(gòu)中介質(zhì)的損耗對于整個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)問題展開。2、趨膚效應(yīng)(SkinEffect)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)計中，當(dāng)高頻信號在導(dǎo)線中傳輸時，大部分電磁波能量會被束縛在導(dǎo)線與屏蔽層（地）之間的介質(zhì)層中，而趨膚效應(yīng)會導(dǎo)致高頻信號的傳輸聚集在導(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(guān)系通過圖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(dāng)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(jìn)一步降低至0.5um以下。從側(cè)面說明了與介質(zhì)接觸的銅箔粗糙度對于產(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（Treatedsideofcopperfoil）的粗糙度，也可以是指銅箔表面（Untreatedsideofcopperfoil）經(jīng)過PCB制程后所產(chǎn)生的粗糙度，例如帶狀線設(shè)計中，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)計中不同類型銅箔對電性能的影響在高頻線路板設(shè)計中，設(shè)計師選材時對于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，容易忽略了不同類型銅箔的粗糙度對于產(chǎn)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(jìn)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于不同類型銅箔與介質(zhì)接觸面的微觀形貌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RzISO來表征粗糙程度），在微帶線的設(shè)計中，銅箔與介質(zhì)接觸面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照片對于帶狀線的設(shè)計而言，除了要考慮銅箔Treatedside的粗糙度之外，還需要考慮銅箔Untreatedside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高，或者線條邊緣的殘銅（如圖3）都會導(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、不同類型銅箔對于插入損耗的影響圖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(shè)計中，傳輸線路插入損耗的降低，對于提升產(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（Dk3.0,Df:0.0011@10GHz）為介質(zhì)，搭配不同類型的銅箔，對50ohm微帶線進(jìn)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銅箔對于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(zhì)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，對于采用低損耗PTFE材料搭配RTF銅箔來增強互調(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應(yīng)用。圖5、TACONIC基站天線材料搭配不同銅箔的互調(diào)測試對比但是對于某些設(shè)計窗口窄，互調(diào)指標(biāo)要求苛刻的應(yīng)用場景，通過采用ULP銅箔來替換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、不同類型銅箔與介質(zhì)之間結(jié)合力對比圖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)在高頻設(shè)計中，通過使用低粗糙度銅箔的辦法來提升產(chǎn)品電氣性能的同時，對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)憂時常被設(shè)計師們提及。針對這一顧慮，TACONIC公司通過工藝優(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公司高頻材料的實際應(yīng)用經(jīng)驗，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，銅箔對于線路插損的貢獻(xiàn)有限。以普通基站天線為例，PCB設(shè)計相對簡單（層數(shù)最多不超過6L，以單、雙面板為主），但對于PCB的綜合成本比較敏感。TACONIC公司的RF-30A(Dk2.97,Df0.0012@1.9GHz)和TLX-8-P(Dk2.55,Df0.0010@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(diào)指標(biāo)）。但如果客戶對于插損和互調(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，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、Above6GHzAbove6GHz的高頻PCB設(shè)計將會更為復(fù)雜，對于“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，因而對于材料的PCB可加工性以及相關(guān)可靠性（金屬化過孔）的要求也更高。針對Above6GHz的應(yīng)用，TACONIC公司的TLY-5

(Dk2.2,Df:0.0009@10GHz)，TLY-5Z(Dk2.2,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)計的可實現(xiàn)性來講，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，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40mil為宜，不適合金屬化過孔太多的設(shè)計。（2）、“TLY-5Z+ULP銅箔”適合頻率低于30GHz的設(shè)計，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120mil為宜。（3）、“TSM-DS3+ULP銅箔”可適用于高至77GHz的設(shè)計，并搭配fastRiseTM系列粘接片制作高頻多層線路板，能夠應(yīng)對多次壓合（優(yōu)異的尺寸穩(wěn)定性）[4]、密集金屬化過孔等復(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)語在高頻PCB設(shè)計中，對于“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)同時考慮PCB可加工性（復(fù)雜結(jié)構(gòu)的實現(xiàn)性）和成本等多方面的影響因素，以期找到一個最佳的平衡點。：李俊，高級區(qū)域經(jīng)理，TACONIC泰康利參考文獻(xiàn)[1]DavidM.Pozar,Microwaveengineering.4thEdition

[2]YuJianCheng,XiaoLiangLiu,W-Bandcharacterizationsofprintedcircuitboardbasedonsubstrateintegratedwaveguidemulti-resonatormethod,IEEETransactionsonmicrowavetheoryandtechniques,vol.64No.2Feb.,2016.

[3]ChuananZhang,XinLuo,etc.Lowcostplanarantenna