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高频电路材料和印刷电路板的长期可靠性
录入时间:2023/2/24 12:44:31

随着复杂性和密度的逐渐提高,射频/微波电路组件的长期可靠性变得更加难以表征。印刷电路板(PCB)包含许多有源和无源部件,其性能会随时间和工作环境温度等发生变化。另外,PCB的基板材料如介质、铜箔导体、防焊油墨阻焊层以及最终镀层等也会随着时间发生改变,而且工作环境会对这个时间产生影响。频率较高时,随着时间的变化可能会发生电性能的变化,如功率和效率损失。无论是短期还是长期影响,这种影响均可能会产生。电路材料和PCB性能的长期变化均是由于热效应引起的,例如工作在高温环境下。

短期暴露于高温环境,如PCB组装中回流焊的高温,一般不会影响电路材料或PCB的电气性能。但是,当温度超过电路材料的相对热指数(RTI)或PCB的最高工作温度(MOT)时,就会影响到电气性能。如果温度高于电路材料的裂解温度(Td),即使只是几分钟,也会引起电气性能的变化。RTI是一个基于温度测量确定的电路材料参数,表示电路材料在其一个或多个关键特性不发生降级的情况下承受的最高温度。MOT是一个经美国保险商实验室(UL)认证的电路级参数,适用于整个PCB,包括介质和导体层。这两个参数属同类参数,均用于指示最高温度,但是RTI是指电路材料的最高温度,如层压材料本身;而MOT则适用于制成的完整的PCB板及将电路材料加工成PCB板后的最高工作温度。电路的MOT不会超过其基板的RTI,因为UL不会为高于其材料RTI的电路签发MOT。

高频电路层压板材料是由介质材料和铜箔作为导体构成,基于热塑性或热固性材料。热塑性材料通常是软质的或挠性的,而热固性材料则是更硬,刚性的。热塑性材料可加热至熔化或回流温度,但热固性材料不能加热至回流温度。在温度足够高时,热固性材料就会发生分解。

用于射频/微波/毫米波PCB的热塑料性材料通常是基于聚四氟乙烯(PTFE)的。虽然其他材料也可单独或与PTFE一起用作高频电路基板,但是许多射频/微波/毫米波PCB均以某种形式使用PTFE。用于射频/微波/毫米波PCB的热固性材料,一般是基于良好的尺寸稳定性且有成本优势的碳氢化合物树脂或聚苯醚(PPE或PPO)聚合树脂。

基于PTFE的热塑性电路材料由于其稳定性,及长期使用和高温环境下电气性能变化小备受好评。与此相反,基于碳氢类或PPE的热固性电路材料制成的电路会随着时间和温度变化,其电气性能会变化,且这种变化的大小将取决于具体的电路材料构成。

对于近乎纯PTFE的电路材料,如罗杰斯公司的RT/duroid® 5880层压板,其电气性能在长期使用和高温(高于室温或25°C)环境下表现非常稳定。对于PTFE与其他材料结合以调整介电常数(Dk)或提供某种电路所需性能(如毫米波频段)的材料,由于其他材料的不同,其性能随时间和温度的变化会变得不同。例如,罗杰斯公司的RO3003™材料即是一种基于PTFE树脂系统且含有陶瓷填料和其他添加剂的电路材料,用于汽车雷达和毫米波频段的电路应用场景。如图1所示,它表现出与基于几乎纯PTFE的材料不同的老化特性。

如图1所示,这两种材料的热老化特性均变化较小:Dk或相对介电常数(εr)变化均小于1%。最初两种材料都会出现Dk降低,这与在150°C高温条件下使材料变干相关。虽然这两种材料都是低吸湿性的,但在微观层面上它们在测试之前都会携带一些水分。当高温下祛除材料中的水分时,Dk就会降低。RO3003层压板的PTFE配方要比RT/duroid 5880材料的更复杂,对高温和烘干作用也有不同的反应。但是,对于150°C条件下的长期老化来说,这两种材料不到1%Dk变化被认为是非常稳健的。

与热塑性材料相比,热固性材料在长期高温暴露下的Dk变化要更大一些。但是,Dk变化量与热固性材料的配方密切相关,且热固性材料Dk变化的原因与热塑性材料的有很大不同。

热固性电路材料在高温条件下的自然反应是氧化。氧化在室温条件下很慢,但在高温条件下则会加速。热固性基材的氧化仅限于氧化渗透进材料的深度,在材料表面的反应会随着更多的氧化物在表面堆积而发生变化,直到氧化过程停止为止。对于热固性材料来说,氧化过程的速度和氧化物渗透材料的深度将取决于材料的配方。例如,有许多类型的抗氧化剂(AO)可以包含在配方中以用于减缓氧化过程,根据材料配方的不同,一些抗氧化剂要比其他更有效。

图2对两种热固性碳氢层压板进行了比较,其中一种的氧化性能较差,另一种则含有最有抗氧化AO成分,可最大限度地减小氧化效应及提供稳健的长期老化性能。添加AO的好处可从Dk随时间变化的稳定性看出。图2的数据是,由X波段固定式带状线谐振器测试方法所测量高温条件下的Dk随时间的变化。测试材料完全暴露在环境中,所示数据是利用Arrhenius方程推测至更长时间的数据。这一加速老化方法可对长期热老化效应进行推算,且无需进行长时间的测试。该测试数据将某碳氢类层压板与具有长期稳定的抗老化性能的材料—罗杰斯公司的RO4835™电路材料进行了比较。RO4835材料传承了RO4350B™层压板特性,具有完全相同的电气性能。作为图2中时间刻度的参考,1.0E+05小时即等于11.4年。

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▲ 图1:RT/duroid 5880层压板和RO3003层压板介质的长期老化

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▲ 图2:对热固性碳氢电路材料25°C的长期老化进行比较

该老化试验的Dk测试是基于IPC-TM-650 2.5.5.5c定义的X波段固定式带状线谐振器测试方法以评估材料的Dk变化量。测试频率是10GHz,被测样品需要全部蚀刻掉铜箔,仅保留介质材料。当以电路形式对电路材料进行老化评估时,其老化效应是不同的,因为铜层可保护介质材料,预防氧化。保护量则取决于图3中所示的不同结构。

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▲ 图3:简单的侧视图显示为不同的RF结构,及氧化(黄色)如何渗透热固性介质材料。

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▲ 图4:裸露介质材料(完全腐蚀)与20-mil RO4350B 层压板(Std)和20-mil RO4350B LoPro 层压板(LoPro)上的50 Ω 微带线电路进行比较

图3中的描述近似显示了在介质材料上是如何形成氧化的。在裸露基板面上会形成氧化层,甚至一些氧化层会达到铜箔导体下面。换句话说,大部分的氧化都在材料表面,随着氧化的梯度积累,会有少量氧化会进入表面下方,但这种表面下方的氧化会逐渐减少。

电路材料参数Dk和损耗因子(Df)会在存在氧化的情况下变大。有几个因素将决定氧化对电路材料的射频/微波/毫米波电气性能的影响程度。介质电路越薄将受到的影响将越大,这是因为氧化将在整个介质材料中占比更大。

根据电路中电磁(EM)场的不同,氧化对射频/微波/毫米波电路不同结构的影响也不同。例如,对于微带线来说,大多数EM场均位于信号导体底部与接地层顶部之间,以及信号导体左右有很强的边缘场,信号会因为充分的氧化而发生变化。虽然微带线可能不会受到氧化的显着影响,但是在高频毫米波频率时可以检测到氧化带来的影响。较厚的微带线电路的这一影响要小于较薄的微带线电路。

从信号导体的位置能明显看出,带状线结构一般不受氧化的影响(图3)。然而,对于微带线边缘耦合电路,其耦合场位于电路基板表面以及约偏下方处并于氧化层相交,氧化会降低射频/微波/毫米波性能。当在毫米波频率下,氧化对于薄基板上的接地共面波导(GCPW)电路的影响可能也是显著的。

介质特性解密

在进行的材料老化过程和测试中,是通过X波段固定式带状线谐振器测试方法以确定介质材料的特性。由于介质材料在老化期间是完全暴露在环境中的,所以介质材料的所有表面均被氧化,如图3中所示。也就是说,当将材料放入固定式带状线谐振器中形成带状线谐振时,介质的八个表面均会有氧化。根据试验材料的不同,需要在夹具中放置的材料数量也不同氧化也有所不同。但是,与以电路形式的测试相比,该测量方法中材料的氧化要远远大的多。

为了防止氧化的影响,RO4835电路层压板是采用了最佳组合的AO添加剂配制而成。除此之外,RO4835电路压板还采用了与传统RO4350B电路材料相同的配方,其中后者一直是高功率射频/微波电路的可靠电路材料基板。由于拥有最佳的AO添加剂组合,RO4835层压板需要比RO4350B层压板长达10倍时间才能达到相同氧化水平。

事实上,除了氧化差异以外,RO4350B层压板在大功率应用中表现出了良好的长期老化性能。一般情况下,RO4350B层压板的长期老化问题均与具有耦合特性的电路有关,如定向耦合器。为了更好地了解电路特征在电路材料长期老化性能中的作用,将具有电路特征的材料与以相同方式处理但不含铜(铜完全腐蚀掉、没有电路特性)的相同介质材料进行比较。

本次比较采用了罗杰斯公司的RO4350B层压板和RO4350B LoPro®层压板的多种电路结构,电路包括50 Ω微带线电路、微带线边缘耦合带通滤波器和微带线阶跃阻抗低通滤波器。RO4350B LoPro层压板与公司的RO4350B层压板相同,仅是采用更为光滑的低轮廓铜箔以降低射频/微波/毫米波频率下的插入损耗。

图4比较了两种电路材料的多个长期老化效应。Dk随时间变化最大的就是完全蚀刻掉铜箔的材料样本(标识为完全腐蚀),即裸露的介质材料。该裸露材料上没有电路,是在+50°C条件下的X波段固定式带状线谐振器夹具中测试其特征。而以50 Ω微带线进行试验的电路,其不同温度条件下电路表征出来的Dk变化就小得多。

在高温下,利用传输线电路对长期老化进行评估的样本,发现需要更长的时间(10~100倍)才能达到与完全蚀刻掉铜箔的样本的相同的氧化水平。图4中也显示了各种不同温度下样品的氧化和Dk变化量。如果测试电路是在相同材料上制作的,但厚度不同,那么氧化影响也可能不同。

利用低通阶跃阻抗滤波器研究老化影响与传输线电路的样本类似。微带线边缘耦合带通滤波器的样本受氧化影响约大。要达到与完全蚀刻掉铜箔的(裸露介质)样本相同的氧化水平,仍需要3~5倍的时间。紧耦合电路受到的氧化影响要比松耦合电路大。另外,测试温度不同其氧化时间跨度也不同,在最高温度条件下,由于氧化导致的电路材料Dk的差异则最大。

防焊油墨、帕利灵涂层和防潮绝缘胶等应用于电路中,可以降低热固性氧化影响。防焊油墨可显著降低老化影响,但通常也会降低射频性能。当厚度为25μm或以上应用时,帕利灵涂层也有助于将长期老化的氧化影响降至最低水平。HumiSeal也有助于最大限度地减少氧化影响,虽然有很多类型可以选择,但是有些类型在降低老化影响方面更有效一些。 

结论

电路材料在加工期间会短时间暴露于高温下,而在使用过程中会长期暴露在高温中。长期高温的影响通常被认为是PCB热固性介质材料上的氧化积累,这可能导致电路材料Dk的偏移。确定电路材料对长期老化影响的敏感程度需要进行精确和仔细的测试,因为在描述高频电路材料时,不同的测量方法和技术会得出截然不同的测量结果。选择正确的测试方法,无论是基于材料还是基于电路的测试,均可在Dk和电路建模时提供可靠的数据。 

TMM® 3-D模压成型微波材料

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TMM® 热固性微波材料为罗杰斯特有专利产品,是一款针对高频应用设计的陶瓷、热固性聚合物复合材料。该材料有PCB层压板形态或者模压成型的3D形态,是创新设计应用的理想材料。其主要关键特性是极低的TCDk,介电常数可控制在3~12,低CTE,耐化学性高,以及可模塑成各种形状。


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