一文了解環(huán)境變化對(duì)電路性能的影響

電子電路是在基板材料的基礎(chǔ)上構(gòu)建的，這些材料可能極易受溫度和濕度等環(huán)境條件變化的影響。很多商業(yè)應(yīng)用、消費(fèi)應(yīng)用、甚至是醫(yī)學(xué)應(yīng)用的工作條件的變化是較為輕微的，例如都是室溫（RT）和低相對(duì)濕度（RH）條件。但是，很多其他的應(yīng)用就沒有這么理想的工作條件了，尤其是設(shè)計(jì)用于航空航天（A&D）、工業(yè)以及太空環(huán)境的系統(tǒng)。并非所有電路材料的配方或特性都是針對(duì)不同應(yīng)用所需的環(huán)境條件的不同組合而設(shè)計(jì)的，所以應(yīng)謹(jǐn)慎考慮用于挑戰(zhàn)性工作環(huán)境的高頻、高速數(shù)字（HSD）電路的電路材料。

理想情況下，電子電路最好能始終在室溫和低相對(duì)濕度條件下使用。但是，即使是消費(fèi)類電子，例如手機(jī)，也不得不在室外使用，工作環(huán)境可能是炎熱夏季，或者可能降到冰點(diǎn)（0℃或+32°F）以下的冬季。電路材料的電氣性能也許在室溫（通常是+25℃）條件下非常好，但也有可能會(huì)隨著工作溫度和/或濕度的變化而性能惡化。不過，很多電路在其使用壽命內(nèi)，僅有一小部分時(shí)間是在理想條件下使用的。根據(jù)使用場(chǎng)合，工作溫度和相對(duì)濕度可能發(fā)生極端變化，因此會(huì)影響基于基板材料制成的電路的性能。

為了表征高頻、高速印刷電路板（PCB）材料在高溫條件下的特征，已經(jīng)開發(fā)出可重復(fù)的試驗(yàn)方法。測(cè)量被測(cè)材料制作的已知長(zhǎng)度傳輸線的信號(hào)幅度和相位散射（S）參數(shù)，可以確定材料介電常數(shù)（Dk）和損耗因子（Df）等特征數(shù)據(jù)。例如，在室溫條件下進(jìn)行的測(cè)量可以提供材料Dk的參考值；在高溫條件下獲得的結(jié)果可以確定升溫對(duì)電路材料Dk影響所需的詳細(xì)信息。

測(cè)試TCDf 也是非常困難的，即使是用程控和精密的試驗(yàn)設(shè)備。不過還有一個(gè)更常見的參數(shù)，即插入損耗的溫度系數(shù)（TCIL），該參數(shù)是基于評(píng)估溫度變化對(duì)用某種電路材料制成的傳輸線插入損耗的影響。

溫度環(huán)境下的測(cè)試

電路材料的Dk表示材料儲(chǔ)存電磁（EM）的能力。電路材料的Dk是一個(gè)相對(duì)于真空Dk或1.00的數(shù)值。通過具有某一長(zhǎng)度和寬度的傳輸線對(duì)傳輸信號(hào)幅度和相位的影響，我們能夠深入了解傳輸線所用基板材料的特征。

PCB材料的Dk測(cè)試同時(shí)需要測(cè)量和計(jì)算。對(duì)于高頻、高速電路材料來說，用于Dk的測(cè)量是建立在用相應(yīng)材料制成已知長(zhǎng)度傳輸線的基礎(chǔ)上進(jìn)行，例如微帶線、帶狀線等眾所周知的傳輸線類型。因?yàn)椴ㄩL(zhǎng)（和電路尺寸）會(huì)隨頻率增加而縮小，所以電路材料的Dk測(cè)試方法通常是在10 GHz或以下頻率的帶狀線電路和30 GHz或更高毫米波（mmWave）頻率的微帶線電路基礎(chǔ)上進(jìn)行。例如，羅杰斯公司（www.rogerscorp.com）使用夾具式帶狀線方法測(cè)定10 GHz頻率下的材料Dk，并使用微帶線差分相位長(zhǎng)度法測(cè)試77 GHz頻率下的材料Dk。這些測(cè)試方法的準(zhǔn)確度較高，可以用在常溫和高溫下測(cè)量溫度對(duì)Dk和電路損耗的影響。

為了測(cè)試不同工作溫度下的Dk值，我們用微帶線差分相位長(zhǎng)度法在高溫環(huán)境下對(duì)工作于毫米波頻率（77 GHz）的很多電路材料進(jìn)行了評(píng)估，包括羅杰斯公司的RO3003G2 層壓板材料。該測(cè)試是在兩條傳輸線相位角測(cè)量的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，且這兩條傳輸線是用相同材料、相同類型銅導(dǎo)體所制成的不同長(zhǎng)度傳輸線。首先在室溫條件下測(cè)量相位，作為參考值；然后在高溫條件下測(cè)量相位值。由于溫度對(duì)傳輸線的影響，以及在實(shí)驗(yàn)頻率和工作溫度下對(duì)電路材料Dk的影響，因此室溫和高溫條件下測(cè)得的信號(hào)相位是不同的。

測(cè)試過程中，這些電路均連接到信號(hào)源和VNA上，先在室溫條件下測(cè)量77GHz的每個(gè)電路的S參數(shù)，確定參考水平。對(duì)于高溫條件下的測(cè)量，所有互連部位需保持不變，唯一的不同是控制的工作溫度。將溫度控制到65℃穩(wěn)定后，再次測(cè)量獲得在77 GHz條件下每個(gè)電路的幅度和相位的S參數(shù)。升高溫度至125℃后再次重復(fù)測(cè)量。最終測(cè)量結(jié)果提供了兩個(gè)不同長(zhǎng)度的微帶線電路在三種不同工作溫度條件下77 GHz的幅度和相位的S參數(shù)值。這些數(shù)據(jù)即可用于確定被測(cè)材料的Dk和損耗隨溫度變化的特性。

測(cè)試結(jié)果

RO3003G2層壓板材料的性能優(yōu)異，其Dk和損耗（通常用Df表示）受高溫升溫的影響最小。

從測(cè)試結(jié)果來看：

1

在 77 GHz頻率下（見圖1），Dk的變化（ΔDk）非常小，在從常溫25℃到高溫125℃的較大溫度范圍內(nèi)僅有0.010的變化量，對(duì)應(yīng)相位的變化量（Δ?）僅有 6°。

2

而相同條件下，5mil的基于PPE樹脂的電路材料（見圖2）從常溫到高溫的Dk的變化（ΔDk）是0.031，對(duì)應(yīng)相位變化量Δ?也較大，達(dá)到17°。

因此，通過多組材料的比較，RO3003G2層壓板材料更適用于如汽車相控陣?yán)走_(dá)天線等對(duì)溫度條件敏感的電路的應(yīng)用。

插圖說明

在+25℃、+65℃和 +125℃條件下，5mil RO3003G2層壓板和5mil PPE的層壓板（均為0.5oz.電解銅箔）在77GHz下的Dk隨溫度對(duì)比圖。

圖1

圖2

審核編輯 ：李倩