微波材料提供低損耗和高穩(wěn)定性

微波材料不僅起著在電路板上連接或分離電路走線和接地線的作用，它們還必須將縮短元器件壽命的熱量擴(kuò)散出去。此外，即便在新設(shè)計(jì)吁求更大功率和更高熱穩(wěn)定性的情況下，材料也還必須對(duì)電路在不同溫度條件下的長(zhǎng)期穩(wěn)定工作提供支撐。為支持未來(lái)的設(shè)計(jì)，材料在變得越來(lái)越復(fù)雜的同時(shí)，還有望提供更高的導(dǎo)熱率、更低的損耗以及其它方面的改進(jìn)。目前的材料加工方法源自納米技術(shù)和可調(diào)技術(shù)等各種方案。但無(wú)論它們采用哪些方法，材料的進(jìn)步正孕育出新一代器件、半導(dǎo)體和系統(tǒng)。

例如，Arlon公司的一篇論文討論了材料將對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生怎樣的影響。該論文稱(chēng)，與印刷電路板(PCB)使用的傳統(tǒng)基板材料相比，導(dǎo)熱基板具有若干優(yōu)勢(shì)，通過(guò)增加層壓板的導(dǎo)熱性，工程師可以保證將熱量從對(duì)溫度敏感的器件和焊點(diǎn)處擴(kuò)散出去。器件引出接點(diǎn)的最高溫度被降至最低，從而延長(zhǎng)器件的使用壽命、提高設(shè)計(jì)可靠性。此外，由熱膨脹系數(shù)引起的熱漂移效應(yīng)被減至最小，因此還降低了對(duì)加工硬化的要求。

如果選用了合適的工程陶瓷，當(dāng)發(fā)生溫漂時(shí)，微波層壓材料將具有更高的相穩(wěn)定性。例如，相穩(wěn)定的陶瓷可以抑制微波層壓板所用的低損耗聚四氟乙烯(PTFE)樹(shù)脂的溫度敏感性，因此，設(shè)計(jì)師可以將工作溫度變化導(dǎo)致的介電常數(shù)漂移所造成的非一致性頻率響應(yīng)降至最低。另一方面，借助在特定頻點(diǎn)共振頻率的顯著變化以及帶寬滾降，天線設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)更低的增益性能。該論文指出：特別是在高頻應(yīng)用，電損耗低的材料可降低諸如耦合器、濾波器和饋送網(wǎng)絡(luò)等無(wú)源元器件的發(fā)熱。可通過(guò)x/y或z任一方向?qū)釓挠性丛骷U(kuò)散出去的材料，有助于提升這些元器件的可靠性。

RF和微波應(yīng)用要求損耗低、介電常數(shù)的變化要小。傳統(tǒng)上，具有這些屬性的材料包括PTFE和其它低損耗熱固樹(shù)脂聚合物。根據(jù)Arlon的論文，無(wú)紡玻璃纖維增強(qiáng)型PTFE的介電常數(shù)約在2.2至2.33之間。與此相比，有紡玻璃纖維增強(qiáng)型PTFE的介電常數(shù)約在2.2至3.0以上。在添加陶瓷填料后，基于PTFE材料的介電常數(shù)可達(dá)10.2或更高。

聚四氟乙烯最初是由W.L. Gore & Associates生產(chǎn)的。目前，Gore提供類(lèi)似GORE snapSHOT那樣的電磁干擾(EMI)屏蔽方案。snapSHOT是一種用于無(wú)線通信設(shè)備的多腔、板級(jí)電磁干擾屏蔽產(chǎn)品，它本質(zhì)上是一種重量輕的金屬化塑料屏蔽材料，可針對(duì)任何應(yīng)用進(jìn)行熱成型處理。它具有將焊球用作獨(dú)特卡固結(jié)構(gòu)的附接特性。僅對(duì)該屏蔽材料的外部進(jìn)行金屬化鍍錫處理，其內(nèi)表面仍是絕緣的。與采用現(xiàn)有屏蔽方案的電路設(shè)計(jì)相比，采用該屏蔽材料可將地電位導(dǎo)線做得更窄、器件間距做得更小、整體厚度做得更薄。

該公司還針對(duì)芯片封裝基板和PCB推出了一系列復(fù)合有機(jī)電介質(zhì)材料。例如，GORE G410預(yù)浸有機(jī)基板據(jù)稱(chēng)能以改良的PCB構(gòu)造技術(shù)，制造出可靠、高性能的單芯片基板封裝。

Rogers是另一家在微波材料領(lǐng)域源遠(yuǎn)流長(zhǎng)的公司。今年在美國(guó)舉行的“IMAPS器件封裝”展上，該公司重點(diǎn)推介了RO2808和ULTRALAM 3000層壓板。RO2808陶瓷填充PTFE材料的介電常數(shù)高達(dá)7.6。該公司介紹道，這種材料具有與低溫共燒陶瓷(LTCC)基板相當(dāng)?shù)姆€(wěn)定性和高頻性能。RO2808材料的損耗角正切值低至0.002以內(nèi)，板材可薄至1mil(1/1,000英寸)，能用于非常小型化的設(shè)計(jì)。

Rogers的ULTRALAM 3000系列液晶聚合物(LCP)電路材料的特點(diǎn)，是具有低且穩(wěn)定的介電常數(shù)(2.9)。其吸收的水分不到材料總重的0.04%。這些雙面覆銅層壓板具有0.001、0.002和0.004英寸非常薄的結(jié)構(gòu)。

Rogers公司自稱(chēng)是第一家提供用于高頻材料阻性銅箔的公司。最近，該公司攜手Ohmega Technologies一起開(kāi)發(fā)RT/duroid 6002PR和RT/duroid 6202PR材料。雖然這兩種材料類(lèi)似，但RT/duroid 6202PR為了使薄的電介材料具有更好的機(jī)械強(qiáng)度，有限度地使用了編織玻璃纖維。這一開(kāi)發(fā)的目標(biāo)是大幅降低電阻變化。對(duì)高頻率材料而言，電阻變化往往可達(dá)20%以上。采用RT/duroid 6002PR和RT/duroid 6202PR可將變化控制在10%以內(nèi)。

為給多層設(shè)計(jì)提供高水平的尺寸穩(wěn)定性和配準(zhǔn)一致性，Arlon的CLTE-AT微彌散陶瓷PTFE復(fù)合材料采用了有紡玻璃纖維增強(qiáng)技術(shù)。該復(fù)合材料以其0.0013的損耗角正切值而獨(dú)樹(shù)一幟。CLTE-AT還采用了平均表面粗糙度(Rz)小于4.0μm的更光整的銅材，而許多競(jìng)爭(zhēng)產(chǎn)品使用的是9到10μm較粗糙的銅。因此，它承諾在保持薄層板上的細(xì)導(dǎo)線所需的剝離強(qiáng)度的同時(shí)，可減小插入損耗和傳輸線阻抗。在約200MHz頻率下，CLTE-AT具有3.0的電介常數(shù)，其X和Y軸的熱膨脹系數(shù)(CTE)僅為8ppm/℃，而Z軸的是20ppm/℃。

為提高手機(jī)功率放大器的效率，意法半導(dǎo)體(ST)和Paratek已展開(kāi)合作，共同推動(dòng)Paratek下一代ParaScan材料的大批量生產(chǎn)。這兩家公司計(jì)劃聯(lián)合開(kāi)發(fā)可提高手機(jī)總輻射功率(TRP)的可調(diào)產(chǎn)品?；赟T的集成無(wú)源和有源器件(IPAD)技術(shù)，這兩家公司計(jì)劃利用ParaScan材料研制出高品質(zhì)、高可靠的可調(diào)電容器。

這些可調(diào)電容可用來(lái)實(shí)現(xiàn)無(wú)線手持設(shè)備的動(dòng)態(tài)阻抗匹配，這樣在降低通話掉線和漏接可能性的同時(shí)，可調(diào)電容還提升了功放效率、延長(zhǎng)了電池續(xù)航時(shí)間。借助射頻調(diào)諧，經(jīng)由自適應(yīng)阻抗匹配電路，手機(jī)天線能更高效地工作。因?yàn)樘炀€可以做得更小，所以這種技術(shù)還能讓制造商制造出更小、更薄、更具差異性的手機(jī)產(chǎn)品。

另一個(gè)以材料為紐帶、旨在幫助手持設(shè)備制造商推出小型化產(chǎn)品的合作關(guān)系，是通過(guò)整合實(shí)現(xiàn)的。具體說(shuō)，就是SABIC Innovative Plastics和LPKF Laser & Electronics AG攜手，將LPKF的激光導(dǎo)引建構(gòu)(LDS)技術(shù)與SABIC Innovative Plastics的材料結(jié)合起來(lái)。當(dāng)今的原始設(shè)備制造商(OEM)利用在塑料部件內(nèi)整合了電路導(dǎo)線、采用LDS技術(shù)制造的模壓互連器件。激光在模壓塑料外殼上雕刻出一個(gè)復(fù)雜的三維結(jié)構(gòu)，以準(zhǔn)備進(jìn)行金屬化處理。歸功于這一合作，現(xiàn)在可將電子和機(jī)械功能整合在一起，如單一模塊內(nèi)的手機(jī)天線(圖1)。

圖1：通過(guò)聯(lián)合采用LDS技術(shù)與特殊材料，可實(shí)現(xiàn)單一模塊內(nèi)的手機(jī)天線。

一些人預(yù)測(cè)，未來(lái)氧化鋅(ZnO)將涵蓋從薄膜晶體管到傳感器等許多應(yīng)用。氧化鋅經(jīng)常與其它材料結(jié)合起來(lái)使用，或者也可將其制作成新型納米結(jié)構(gòu)，每個(gè)都有自己獨(dú)特的性質(zhì)。此外，Rogers正完成一種主要用于機(jī)載天線應(yīng)用的新型高頻材料——RT/duroid 5880LZ的開(kāi)發(fā)。該材料的介電常數(shù)為1.96、介電常數(shù)的溫度系數(shù)是+22ppm/℃、密度是1.37gm/cm³(比PTFE/玻璃輕30%)。

展望未來(lái)，材料方面的進(jìn)步也將越來(lái)越多地以軟件為中心，因?yàn)楣こ處熢絹?lái)越多地求助軟件來(lái)模擬其電路板材料或真實(shí)世界的設(shè)計(jì)問(wèn)題。例如，DuPont Microcircuit Materials和CAD Design Software這兩家公司已宣布，他們已為陶瓷(混合/MCM-LTCC)電路設(shè)計(jì)，將杜邦的GreenTape LTCC材料和制造工藝整合進(jìn)CAD Design Software的電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化(EDA)設(shè)計(jì)工具中(圖2)。

圖2：軟件工具經(jīng)過(guò)了定制以便采用LTCC材料和制造工藝。

通過(guò)整合杜邦的Green Tape 951和943系統(tǒng)，CAD Design Software的陶瓷設(shè)計(jì)工具自動(dòng)處理杜邦公司建議采用的LTCC工藝。從CAD Design Software的材料庫(kù)內(nèi)選用材料的能力，允許用戶設(shè)置自定義的技術(shù)參數(shù)來(lái)啟動(dòng)一種陶瓷設(shè)計(jì)，或從預(yù)設(shè)置的技術(shù)文件清單內(nèi)，選用一種技術(shù)。此外，為簡(jiǎn)化陶瓷設(shè)計(jì)流程，CAD Design Software還整合了許多CAM工具。

作者：Nancy Friedrich

《Microwaves & RF》