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AGC旗下Taconic和Nelco的高频高速PCB材料在毫米波不同应用场景的解决方案
本篇节选AGC《浅谈毫米波应用PCB材料解决方案》 首先以Taconic和Nelco的高频高速PCB材料为例，按照Dk和Df为坐标进行分类，可见PTFE树脂体系材料（TLY-5Z, NF-30, TSM-DS3, fastRise）的介质损耗低于PPO/PPE树脂体系材料（以MW-4000为例）；碳氢树脂体系材料并未列在图1中，其介质损耗大概在0.0030左右。。 图1 AGC公司在毫米波应用材料的矩阵图
此外，将图1中的材料进一步展开，按照产品结构体系、适用PCB结构、Dk/Df@10GHz、常用介质厚度和实际应用频率等几个关键维度进行进一步细化归纳为表2。其中混压结构是指所列材料与其它不同树脂体系材料一起制作混压多层板；Dk/Df的数据采用10GHz数据是基于纯介质的测试数据，不包含铜箔对于数据的影响，便于理解其介质本身的电气特点；应用频率是指该材料在实际的应用案例中做达到工作频率。 表2 AGC公司在毫米波应用材料一览表
3.1 TLY-5Z TLY-5Z作为一款含有玻璃纤维布+陶瓷填料的低损耗PTFE材料，克服了常规低介电常数（Dk2.2）PTFE材料Z轴方向膨胀系数偏大的缺点（图4），可以有效的提升金属化过孔的长期可靠性（图5）。同时，在相同的介质厚度和阻抗控制下，低介电常数可使射频线路设计得相对更宽，在毫米波频段下，线路整体的插入损耗更低。 图4 TLY-5Z与TLY-5 在Z轴方向热膨胀系数对比 图5 TLY-5Z, 40mil厚度, PTH冷热循环100cycle, 孔口无断裂
对于TLY-5Z的设计而言（典型应用包括5G毫米波），其搭配ULP铜箔（HVLP-2级别）混压PPO/PPE材料制作毫米波多层混压板（如图6所示）。 图6 TLY-5Z应用于毫米波天线设计 （TLY-5Z设计在Top 层作为毫米波天线整列） 3.2 NF-30 NF-30作为一款不含玻璃纤维布的PTFE材料，在保证极低介质损耗的同时，能够有效规避玻璃纤维所带来的潜在CAF风险，并增强材料各向电气性能一致性。此外，对于采用FOWLP方式封装的毫米波芯片直接焊接到PCB上（焊在使用NF-30的天线层上）的情况，NF-30所具有的无编织玻璃布结构能够有效的吸收芯片与PCB之间CTE不匹配所造成的焊点内应力，从而确保芯片焊接的长期可靠性（焊点连接处可以经受-55C~140C，1000cycle以上的冷热循环测试而不失效）。 图7 不同频率下NF-30，5mil介质厚度搭配ULPH铜箔的Design Dk 图8 NF-30的Dk随温度变化的变化率（-55C～150C）
与此同时，由于NF-30系不含玻璃纤维结构材料，其尺寸稳定性不如带玻璃纤维结构材料，因而限制其应用场景主要为混压结构，且NF-30多被设计于Top层。 图9 NF-30不同批次在77GHz下Desgin Dk分布 图10 NF-30搭配ULP铜箔与友商材料的插损材料对比 图11 NF-30 搭配不同铜箔的插入损耗曲线 图12 NF-30 搭配不同铜箔的Design Dk 趋势 图13 NF-30 PTH孔和激光盲孔可靠性 （冷热循环1000次）
NF-30主要适合应用在77GHz汽车毫米波雷达产品，对于下一代的77GHz汽车毫米波（4D雷达）的设计，建议采用NF-30搭配PPO/PPE材料制作混压多层板（如图14），在此种设计中，为了给Top 层的天线设计腾挪出足够多的空间，毫米波芯片可以通过极联的方式组装在Bottom层，因而选择PPO/PPE材料来降低芯片到天线层之间的链路损耗。此外，PPO/PPE材料更加适合多层板的加工，且成本低于碳氢树脂材料。 图14 NF-30搭配PPO/PPE材料制作4D汽车雷达 3.3 TSM-DS3 在毫米波射频应用场景中，通过PCB射频电路来替代线缆用以连接射频单元的方案可以有效的减小产品尺寸，提升产品的集成度。但在使用PCB射频电路替代线缆时，由于PCB方案的插入损耗比线缆高，且布线复杂程度增加会带来多层板设计，因而需要尽可能选择低损耗且易于进行多层线路板加工的材料。 TSM-DS3作为一款含有玻璃纤维布+陶瓷填料的低损耗PTFE材料，具有极佳的尺寸稳定行，搭配fastRise使用，可以制作高多层线路板（见图15），并且在多次压合后仍能保证良好的尺寸稳定性。此外，TSM-DS3具有非常低的TcDK（5.4ppm/C, -55C~150C）（见图16）以及优异的环境耐受性，因而在毫米波频段的电气性能更加稳定。 图15 TSM-DS3搭配fastRise制作纯PTFE材料多层板 图16 TSM-DS3 TcDK数据 图17 TSM-DS3搭配不同类型铜箔的插损曲线 图18 TSM-DS3应用于毫米波天线设计 （TSM-DS3设计在Top 层作为毫米波天线整列） 对TSM-DS3的设计而言（典型应用包括5G毫米波、卫通毫米波地面天线）可以选择TSM-DS3搭配ULP铜箔（HVLP-2级别）混压PPO/PPE材料制作毫米波多层混压板（如图18所示）。 3.4 Meteorwave系列 Meteorwave系列材料为PPO/PPE树脂体系材料，与PTFE树脂体系材料和碳氢树脂体系材料相比（见表1），其优势在于：（1）优异的PCB可加工性（与FR-4相当），尤其在多层板的加工；（2）介质损耗（以MW-4000为例）居于PTFE和碳氢树脂材料之间；（3）材料的价格最低。PPO/PPE在毫米波应用其最大的优势在于能够最大程度的降低多层板的内层电路损耗，提升产品的可设计性和可制造性。在这一方面PTFE材料和碳氢树脂材料都是难以完全胜任的。接下来我们以Meteorwave系列中的MW-4000为例展开进行讨论： 图19 MW-4000，5mil介质搭配HVLP-2铜箔的Design Dk 图20 MW-4000介质损耗随频率的变化趋势 从MW-4000的Design Dk和介质损耗随频率的变化全是来看，Design Dk随着频率的增加而出现下降的趋势（见图19），在26GHz～40GHz的建议Desgin Dk值可以按照3.34来进行设定；77GHz频段按照3.32来进行设定。介质损耗在26GHz～100GHz以内变化很小，不超过0.0005（见图20）。 图21 MW-4000与同族其它型号材料的插损对比 MW-4000在同族系列材料中的插入损耗处在Ultra Low loss水平（见图21），MW-4000搭配HVLP-2铜箔的插损的表现在40GHz以内，不超过0.45dB/inch。 图22 MW-4000与NF-30及其它友商材料的插损对比 MW-4000的插入损耗在与NF-30以及其它友商材料的插损对比中可以看出（见图22），MW-4000搭配HVLP-2铜箔的插损是低于某友商PTFE树脂体系材料搭配HTE铜箔的插损，但由于MW-4000的Dk在3.4附近，所以其在阻抗一定的情况下，其设计线宽会略小于Dk3.0的材料，所以其插损与同级别的友商Dk3.0的PPO/PPE树脂材料相比，MW-4000搭配HVLP-2铜箔的插损略高于友商PPO/PPE材料搭配HVLP-2铜箔(粗糙度1.0um)。但这里需要注意的一点是，我们通过使用HVLP-3铜箔（粗糙度<0.8um）可以进一步降低MW-4000的插损，但是在实际的应用中会产生另外两个问题：（1）铜箔的附着力降低，不适合在最外层微带线结构的天线应用；（2）成本会增加（HVLP-3贵过HVLP-2）；根据我们的经验，在毫米波天线应用中：40GHz以下的毫米波天线，MW-4000搭配HVLP-2铜箔用着天线层完全可以胜任，在内层走线（低频数字信号）是铜箔可以搭配RTF-2级别的铜箔。 图23 MW-4000可以制作复杂结构的PCB板
由于MW-4000在高多层高速数字PCB中的应用已有多年的成熟经验，因而对于MW-4000在可加工性和可靠性方面数据就不过多列举，仅展示其几种典型的多层板结构切片（见图23）。 对于MW-4000的设计建议而言（典型应用包括5G毫米波、77GHz 汽车4D雷达、卫通毫米波地面天线），我们建议客户可以采用多层板（同种材料）和PTFE材料+MW-4000混压多层板的方案（图24）。 图24 MW-4000 在毫米波应用的设计建议方案
3.5 fastRise系列超低损耗粘结片 fastRise具一款改性PTFE膜+低损耗热固性树脂的粘结片，其主要用途在于两张以上PTFE芯板之间提供低损耗的粘结介质。其优点在于：（1）超低介质损耗0.0017@40GHz；（2）压制厚度从2.1mil～5mil可选；（3）压合温度215C，适合多次压合；在具体的毫米波产品设计中（典型应用包括5G毫米波、卫通毫米波地面天线），对带状线结构天线图形走线提供超低损耗粘结片的方案（如图25）。 图25 fastRise典型设计结构 4. 结论 本文从毫米波应用对PCB材料的选型依据入手，通过比较不同树脂体系材料、搭配的铜箔类型和PCB可加工性等对毫米波产品性能影响，讨论了不同毫米波应用场景（包括5G毫米波、车载毫米波雷达、卫通毫米波天线等）下所对应的PCB材料解决方案以及各种材料方案。 在具体的毫米波材料选型过程中，需要综合考虑电气性能（包括介质损耗、TcDk）、PCB可加工性、成本等三方面的因素，以期达到性能与成本的最优配比，而不能一味的追求成本最低或者性能最优。当然，作者认为采用混压结构（PTFE+PPO/PPE）混压结构的设计能够最大的程度的在提升毫米波天线性能的同时，来降低PCB的成本。这种混压结构的组合在5G毫米波、77GHz汽车雷达（4D雷达）和卫通地面天线等应用中越来越多的出现。
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