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

本篇節選AGC《淺談毫米波應用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為坐標進行分類，可見PTFE樹脂體系材料（TLY-5Z, NF-30, TSM-DS3, fastRise）的介質損耗低于PPO/PPE樹脂體系材料（以MW-4000為例）；碳氫樹脂體系材料并未列在圖1中，其介質損耗大概在0.0030左右。。

圖1 AGC公司在毫米波應用材料的矩陣圖

       此外，將圖1中的材料進一步展開，按照產品結構體系、適用PCB結構、Dk/Df@10GHz、常用介質厚度和實際應用頻率等幾個關鍵維度進行進一步細化歸納為表2。其中混壓結構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的數據采用10GHz數據是基于純介質的測試數據，不包含銅箔對于數據的影響，便于理解其介質本身的電氣特點；應用頻率是指該材料在實際的應用案例中做達到工作頻率。

表2 AGC公司在毫米波應用材料一覽表

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，克服了常規低介電常數（Dk2.2）PTFE材料Z軸方向膨脹系數偏大的缺點（圖4），可以有效的提升金屬化過孔的長期可靠性（圖5）。同時，在相同的介質厚度和阻抗控制下，低介電常數可使射頻線路設計得相對更寬，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軸方向熱膨脹系數對比

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

對于TLY-5Z的設計而言（典型應用包括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應用于毫米波天線設計

（TLY-5Z設計在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，在保證極低介質損耗的同時，能夠有效規避玻璃纖維所帶來的潛在CAF風險，并增強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構能夠有效的吸收芯片與PCB之間CTE不匹配所造成的焊點內應力，從而確保芯片焊接的長期可靠性（焊點連接處可以經受-55C~140C，1000cycle以上的冷熱循環測試而不失效）。

圖7 不同頻率下NF-30，5mil介質厚度搭配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，由于NF-30系不含玻璃纖維結構材料，其尺寸穩定性不如帶玻璃纖維結構材料，因而限制其應用場景主要為混壓結構，且NF-30多被設計于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1000次）

NF-30主要適合應用在77GHz汽車毫米波雷達產品，對于下一代的77GHz汽車毫米波（4D雷達）的設計，建議采用NF-30搭配PPO/PPE材料制作混壓多層板（如圖14），在此種設計中，為了給Top 層的天線設計騰挪出足夠多的空間，毫米波芯片可以通過極聯的方式組裝在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，且成本低于碳氫樹脂材料。

圖14 NF-30搭配PPO/PPE材料制作4D汽車雷達

3.3 TSM-DS3

  在毫米波射頻應用場景中，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品尺寸，提升產品的集成度。但在使用PCB射頻電路替代線纜時，由于PCB方案的插入損耗比線纜高，且布線復雜程度增加會帶來多層板設計，因而需要盡可能選擇低損耗且易于進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定性。此外，TSM-DS3具有非常低的TcDK（5.4ppm/C, -55C~150C）（見圖16）以及優異的環境耐受性，因而在毫米波頻段的電氣性能更加穩定。

圖15 TSM-DS3搭配fastRise制作純PTFE材料多層板

圖16 TSM-DS3 TcDK數據

圖17 TSM-DS3搭配不同類型銅箔的插損曲線

圖18 TSM-DS3應用于毫米波天線設計

（TSM-DS3設計在Top 層作為毫米波天線整列）

對TSM-DS3的設計而言（典型應用包括5G毫米波、衛通毫米波地面天線）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樹脂體系材料和碳氫樹脂體系材料相比（見表1），其優勢在于：（1）優異的PCB可加工性（與FR-4相當），尤其在多層板的加工；（2）介質損耗（以MW-4000為例）居于PTFE和碳氫樹脂材料之間；（3）材料的價格最低。PPO/PPE在毫米波應用其最大的優勢在于能夠最大程度的降低多層板的內層電路損耗，提升產品的可設計性和可制造性。在這一方面PTFE材料和碳氫樹脂材料都是難以完全勝任的。接下來我們以Meteorwave系列中的MW-4000為例展開進行討論：

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

圖20 MW-4000介質損耗隨頻率的變化趨勢

     從MW-4000的Design Dk和介質損耗隨頻率的變化全是來看，Design Dk隨著頻率的增加而出現下降的趨勢（見圖19），在26GHz～40GHz的建議Desgin Dk值可以按照3.34來進行設定；77GHz頻段按照3.32來進行設定。介質損耗在26GHz～100GHz以內變化很小，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銅箔的插損的表現在40GHz以內，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，其設計線寬會略小于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是，我們通過使用HVLP-3銅箔（粗糙度<0.8um）可以進一步降低MW-4000的插損，但是在實際的應用中會產生另外兩個問題：（1）銅箔的附著力降低，不適合在最外層微帶線結構的天線應用；（2）成本會增加（HVLP-3貴過HVLP-2）；根據我們的經驗，在毫米波天線應用中：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，在內層走線（低頻數字信號）是銅箔可以搭配RTF-2級別的銅箔。

圖23 MW-4000可以制作復雜結構的PCB板

由于MW-4000在高多層高速數字PCB中的應用已有多年的成熟經驗，因而對于MW-4000在可加工性和可靠性方面數據就不過多列舉，僅展示其幾種典型的多層板結構切片（見圖23）。

對于MW-4000的設計建議而言（典型應用包括5G毫米波、77GHz 汽車4D雷達、衛通毫米波地面天線），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 在毫米波應用的設計建議方案

3.5 fastRise系列超低損耗粘結片

 fastRise具一款改性PTFE膜+低損耗熱固性樹脂的粘結片，其主要用途在于兩張以上PTFE芯板之間提供低損耗的粘結介質。其優點在于：（1）超低介質損耗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；在具體的毫米波產品設計中（典型應用包括5G毫米波、衛通毫米波地面天線），對帶狀線結構天線圖形走線提供超低損耗粘結片的方案（如圖25）。

圖25 fastRise典型設計結構

4. 結論

 本文從毫米波應用對PCB材料的選型依據入手，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品性能影響，討論了不同毫米波應用場景（包括5G毫米波、車載毫米波雷達、衛通毫米波天線等）下所對應的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（包括介質損耗、TcDk）、PCB可加工性、成本等三方面的因素，以期達到性能與成本的最優配比，而不能一味的追求成本最低或者性能最優。當然，作者認為采用混壓結構（PTFE+PPO/PPE）混壓結構的設計能夠最大的程度的在提升毫米波天線性能的同時，來降低PCB的成本。這種混壓結構的組合在5G毫米波、77GHz汽車雷達（4D雷達）和衛通地面天線等應用中越來越多的出現。