隨著復(fù)雜性和密度的逐漸提高，射頻/微波電路組件的長(zhǎng)期可靠性變得更加難以表征。印刷電路板（PCBs）包含許多有源和無(wú)源部件，其性能會(huì)隨時(shí)間和工作環(huán)境溫度等發(fā)生變化。另外，PCB的基板材料如介質(zhì)、銅箔導(dǎo)體、防焊油墨阻焊層以及最終鍍層等也會(huì)隨著時(shí)間發(fā)生改變，而且工作環(huán)境會(huì)對(duì)這個(gè)時(shí)間產(chǎn)生影響。頻率較高時(shí)，隨著時(shí)間的變化可能會(huì)發(fā)生電性能的變化，如功率和效率損失。無(wú)論是短期還是長(zhǎng)期影響，這種影響均可能會(huì)產(chǎn)生。電路材料和PCB性能的長(zhǎng)期變化均是由于熱效應(yīng)引起的，例如工作在高溫環(huán)境下。

短期暴露于高溫環(huán)境，如PCB組裝中回流焊的高溫，一般不會(huì)影響電路材料或PCB的電氣性能。但是，當(dāng)溫度超過(guò)電路材料的相對(duì)熱指數(shù)（RTI）或PCB的最高工作溫度（MOT）時(shí)，就會(huì)影響到電氣性能。如果溫度高于電路材料的裂解溫度（Td），即使只是幾分鐘，也會(huì)引起電氣性能的變化。RTI是一個(gè)基于溫度測(cè)量確定的電路材料參數(shù)，表示電路材料在其一個(gè)或多個(gè)關(guān)鍵特性不發(fā)生降級(jí)的情況下承受的最高溫度。MOT是一個(gè)經(jīng)美國(guó)保險(xiǎn)商實(shí)驗(yàn)室（UL）認(rèn)證的電路級(jí)參數(shù)，適用于整個(gè)PCB，包括介質(zhì)和導(dǎo)體層。這兩個(gè)參數(shù)屬同類參數(shù)，均用于指示最高溫度，但是RTI是指電路材料的最高溫度，如層壓材料本身；而MOT則適用于制成的完整的PCB板及將電路材料加工成PCB板后的最高工作溫度。電路的MOT不會(huì)超過(guò)其基板的RTI，因?yàn)閁L不會(huì)為高于其材料RTI的電路簽發(fā)MOT。

高頻電路層壓板材料是由介質(zhì)材料和銅箔作為導(dǎo)體構(gòu)成，基于熱塑性或熱固性材料。熱塑性材料通常是軟質(zhì)的或撓性的，而熱固性材料則是更硬，剛性的。熱塑性材料可加熱至熔化或回流溫度，但熱固性材料不能加熱至回流溫度。在溫度足夠高時(shí)，熱固性材料就會(huì)發(fā)生分解。

用于射頻/微波/毫米波PCB的熱塑料性材料通常是基于聚四氟乙烯（PTFE）的。雖然其他材料也可單獨(dú)或與PTFE一起用作高頻電路基板，但是許多射頻/微波/毫米波PCB均以某種形式使用PTFE。用于射頻/微波/毫米波PCB的熱固性材料，一般是基于良好的尺寸穩(wěn)定性且有成本優(yōu)勢(shì)的碳?xì)浠衔飿?shù)脂或聚苯醚（PPE或PPO）聚合樹(shù)脂。

基于PTFE的熱塑性電路材料由于其穩(wěn)定性，及長(zhǎng)期使用和高溫環(huán)境下電氣性能變化小備受好評(píng)。與此相反，基于碳?xì)漕惢騊PE的熱固性電路材料制成的電路會(huì)隨著時(shí)間和溫度變化，其電氣性能會(huì)變化，且這種變化的大小將取決于具體的電路材料構(gòu)成。

對(duì)于近乎純PTFE的電路材料，如羅杰斯公司的RT/duroid® 5880層壓板，其電氣性能在長(zhǎng)期使用和高溫（高于室溫或25°C）環(huán)境下表現(xiàn)非常穩(wěn)定。對(duì)于PTFE與其他材料結(jié)合以調(diào)整介電常數(shù)（Dk）或提供某種電路所需性能（如毫米波頻段）的材料，由于其他材料的不同，其性能隨時(shí)間和溫度的變化會(huì)變得不同。例如，羅杰斯公司的RO3003™材料即是一種基于PTFE樹(shù)脂系統(tǒng)且含有陶瓷填料和其他添加劑的電路材料，用于汽車?yán)走_(dá)和毫米波頻段的電路應(yīng)用場(chǎng)景。如圖1所示，它表現(xiàn)出與基于幾乎純PTFE的材料不同的老化特性。

如圖1所示，這兩種材料的熱老化特性均變化較小：Dk或相對(duì)介電常數(shù)（εr）變化均小于1%。最初兩種材料都會(huì)出現(xiàn)Dk降低，這與在150°C高溫條件下使材料變干相關(guān)。雖然這兩種材料都是低吸濕性的，但在微觀層面上它們?cè)跍y(cè)試之前都會(huì)攜帶一些水分。當(dāng)高溫下祛除材料中的水分時(shí)，Dk就會(huì)降低。RO3003層壓板的PTFE配方要比RT/duroid 5880材料的更復(fù)雜，對(duì)高溫和烘干作用也有不同的反應(yīng)。但是，對(duì)于150°C條件下的長(zhǎng)期老化來(lái)說(shuō)，這兩種材料不到1%的Dk變化被認(rèn)為是非常穩(wěn)健的。

與熱塑性材料相比，熱固性材料在長(zhǎng)期高溫暴露下的Dk變化要更大一些。但是，Dk變化量與熱固性材料的配方密切相關(guān)，且熱固性材料Dk變化的原因與熱塑性材料的有很大不同。

熱固性電路材料在高溫條件下的自然反應(yīng)是氧化。氧化在室溫條件下很慢，但在高溫條件下則會(huì)加速。熱固性基材的氧化僅限于氧化滲透進(jìn)材料的深度，在材料表面的反應(yīng)會(huì)隨著更多的氧化物在表面堆積而發(fā)生變化，直到氧化過(guò)程停止為止。對(duì)于熱固性材料來(lái)說(shuō)，氧化過(guò)程的速度和氧化物滲透材料的深度將取決于材料的配方。例如，有許多類型的抗氧化劑（AOs）可以包含在配方中以用于減緩氧化過(guò)程，根據(jù)材料配方的不同，一些抗氧化劑要比其他更有效。

圖2對(duì)兩種熱固性碳?xì)鋵訅喊暹M(jìn)行了比較，其中一種的氧化性能較差，另一種則含有最有抗氧化AO成分，可最大限度地減小氧化效應(yīng)及提供穩(wěn)健的長(zhǎng)期老化性能。添加AO的好處可從Dk隨時(shí)間變化的穩(wěn)定性看出。圖2的數(shù)據(jù)是，由X波段固定式帶狀線諧振器測(cè)試方法所測(cè)量高溫條件下的Dk隨時(shí)間的變化。測(cè)試材料完全暴露在環(huán)境中，所示數(shù)據(jù)是利用Arrhenius方程推測(cè)至更長(zhǎng)時(shí)間的數(shù)據(jù)。這一加速老化方法可對(duì)長(zhǎng)期熱老化效應(yīng)進(jìn)行推算，且無(wú)需進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的測(cè)試。該測(cè)試數(shù)據(jù)將某碳?xì)漕悓訅喊迮c具有長(zhǎng)期穩(wěn)定的抗老化性能的材料—羅杰斯公司的RO4835™電路材料進(jìn)行了比較。RO4835材料傳承了RO4350B™層壓板特性，具有完全相同的電氣性能。作為圖2中時(shí)間刻度的參考，1.0E+05小時(shí)即等于11.4年。

▲ 圖1：RT/duroid 5880層壓板和RO3003層壓板介質(zhì)的長(zhǎng)期老化

▲ 圖2：對(duì)熱固性碳?xì)潆娐凡牧?5°C的長(zhǎng)期老化進(jìn)行比較

該老化試驗(yàn)的Dk測(cè)試是基于IPC-TM-650 2.5.5.5c定義的X波段固定式帶狀線諧振器測(cè)試方法以評(píng)估材料的Dk變化量。測(cè)試頻率是10GHz，被測(cè)樣品需要全部蝕刻掉銅箔，僅保留介質(zhì)材料。當(dāng)以電路形式對(duì)電路材料進(jìn)行老化評(píng)估時(shí)，其老化效應(yīng)是不同的，因?yàn)殂~層可保護(hù)介質(zhì)材料，預(yù)防氧化。保護(hù)量則取決于圖3中所示的不同結(jié)構(gòu)。

▲ 圖3：簡(jiǎn)單的側(cè)視圖顯示為不同的RF結(jié)構(gòu)，及氧化（黃色）如何滲透熱固性介質(zhì)材料。

▲ 圖4：裸露介質(zhì)材料（完全腐蝕）與20-mil RO4350B 層壓板（Std）和20-mil RO4350B LoPro 層壓板（LoPro）上的50 Ω 微帶線電路進(jìn)行比較

圖3中的描述近似顯示了在介質(zhì)材料上是如何形成氧化的。在裸露基板面上會(huì)形成氧化層，甚至一些氧化層會(huì)達(dá)到銅箔導(dǎo)體下面。換句話說(shuō)，大部分的氧化都在材料表面，隨著氧化的梯度積累，會(huì)有少量氧化會(huì)進(jìn)入表面下方，但這種表面下方的氧化會(huì)逐漸減少。

電路材料參數(shù)Dk和損耗因子（Df）會(huì)在存在氧化的情況下變大。有幾個(gè)因素將決定氧化對(duì)電路材料的射頻/微波/毫米波電氣性能的影響程度。介質(zhì)電路越薄將受到的影響將越大，這是因?yàn)檠趸瘜⒃谡麄€(gè)介質(zhì)材料中占比更大。

根據(jù)電路中電磁（EM）場(chǎng)的不同，氧化對(duì)射頻/微波/毫米波電路不同結(jié)構(gòu)的影響也不同。例如，對(duì)于微帶線來(lái)說(shuō)，大多數(shù)EM場(chǎng)均位于信號(hào)導(dǎo)體底部與接地層頂部之間，以及信號(hào)導(dǎo)體左右有很強(qiáng)的邊緣場(chǎng)，信號(hào)會(huì)因?yàn)槌浞值难趸l(fā)生變化。雖然微帶線可能不會(huì)受到氧化的顯著影響，但是在高頻毫米波頻率時(shí)可以檢測(cè)到氧化帶來(lái)的影響。較厚的微帶線電路的這一影響要小于較薄的微帶線電路。

從信號(hào)導(dǎo)體的位置能明顯看出，帶狀線結(jié)構(gòu)一般不受氧化的影響（圖3）。然而，對(duì)于微帶線邊緣耦合電路，其耦合場(chǎng)位于電路基板表面以及約偏下方處并于氧化層相交，氧化會(huì)降低射頻/微波/毫米波性能。當(dāng)在毫米波頻率下，氧化對(duì)于薄基板上的接地共面波導(dǎo)（GCPW）電路的影響可能也是顯著的。

介質(zhì)特性解密

在進(jìn)行的材料老化過(guò)程和測(cè)試中，是通過(guò)X波段固定式帶狀線諧振器測(cè)試方法以確定介質(zhì)材料的特性。由于介質(zhì)材料在老化期間是完全暴露在環(huán)境中的，所以介質(zhì)材料的所有表面均被氧化，如圖3中所示。也就是說(shuō)，當(dāng)將材料放入固定式帶狀線諧振器中形成帶狀線諧振時(shí)，介質(zhì)的八個(gè)表面均會(huì)有氧化。根據(jù)試驗(yàn)材料的不同，需要在夾具中放置的材料數(shù)量也不同氧化也有所不同。但是，與以電路形式的測(cè)試相比，該測(cè)量方法中材料的氧化要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大的多。

為了防止氧化的影響，RO4835電路層壓板是采用了最佳組合的AO添加劑配制而成。除此之外，RO4835電路壓板還采用了與傳統(tǒng)RO4350B電路材料相同的配方，其中后者一直是高功率射頻/微波電路的可靠電路材料基板。由于擁有最佳的AO添加劑組合，RO4835層壓板需要比RO4350B層壓板長(zhǎng)達(dá)10倍時(shí)間才能達(dá)到相同氧化水平。

事實(shí)上，除了氧化差異以外，RO4350B層壓板在大功率應(yīng)用中表現(xiàn)出了良好的長(zhǎng)期老化性能。一般情況下，RO4350B層壓板的長(zhǎng)期老化問(wèn)題均與具有耦合特性的電路有關(guān)，如定向耦合器。為了更好地了解電路特征在電路材料長(zhǎng)期老化性能中的作用，將具有電路特征的材料與以相同方式處理但不含銅（銅完全腐蝕掉、沒(méi)有電路特性）的相同介質(zhì)材料進(jìn)行比較。

本次比較采用了羅杰斯公司的RO4350B層壓板和RO4350B LoPro®層壓板的多種電路結(jié)構(gòu)，電路包括50 Ω微帶線電路、微帶線邊緣耦合帶通濾波器和微帶線階躍阻抗低通濾波器。RO4350B LoPro層壓板與公司的RO4350B層壓板相同，僅是采用更為光滑的低輪廓銅箔以降低射頻/微波/毫米波頻率下的插入損耗。

圖4比較了兩種電路材料的多個(gè)長(zhǎng)期老化效應(yīng)。Dk隨時(shí)間變化最大的就是完全蝕刻掉銅箔的材料樣本（標(biāo)識(shí)為完全腐蝕），即裸露的介質(zhì)材料。該裸露材料上沒(méi)有電路，是在+50°C條件下的X波段固定式帶狀線諧振器夾具中測(cè)試其特征。而以50 Ω微帶線進(jìn)行試驗(yàn)的電路，其不同溫度條件下電路表征出來(lái)的Dk變化就小得多。

在高溫下，利用傳輸線電路對(duì)長(zhǎng)期老化進(jìn)行評(píng)估的樣本，發(fā)現(xiàn)需要更長(zhǎng)的時(shí)間（10~100倍）才能達(dá)到與完全蝕刻掉銅箔的樣本的相同的氧化水平。圖4中也顯示了各種不同溫度下的樣品的的氧化和Dk變化量。如果測(cè)試電路是在相同材料上制作的，但厚度不同，那么氧化影響也可能不同。

利用低通階躍阻抗濾波器研究老化影響與傳輸線電路的樣本類似。微帶線邊緣耦合帶通濾波器的樣本受氧化影響約大。要達(dá)到與完全蝕刻掉銅箔的（裸露介質(zhì)）樣本相同的氧化水平，仍需要3~5倍的時(shí)間。緊耦合電路受到的氧化影響要比松耦合電路大。另外，測(cè)試溫度不同其氧化時(shí)間跨度也不同，在最高溫度條件下，由于氧化導(dǎo)致的電路材料Dk的差異則最大。

防焊油墨、帕利靈涂層和防潮絕緣膠等應(yīng)用于電路中，可以降低熱固性氧化影響。防焊油墨可顯著降低老化影響，但通常也會(huì)降低射頻性能。當(dāng)厚度為25 μm或以上應(yīng)用時(shí)，帕利靈涂層也有助于將長(zhǎng)期老化的氧化影響降至最低水平。HumiSeal也有助于最大限度地減少氧化影響，雖然有很多類型可以選擇，但是有些類型在降低老化影響方面更有效一些。

結(jié)論

電路材料在加工期間會(huì)短時(shí)間暴露于高溫下，而在使用過(guò)程中會(huì)長(zhǎng)期暴露在高溫中。長(zhǎng)期高溫的影響通常被認(rèn)為是PCB熱固性介質(zhì)材料上的氧化積累，這可能導(dǎo)致電路材料Dk的偏移。確定電路材料對(duì)長(zhǎng)期老化影響的敏感程度需要進(jìn)行精確和仔細(xì)的測(cè)試，因?yàn)樵诿枋龈哳l電路材料時(shí)，不同的測(cè)量方法和技術(shù)會(huì)得出截然不同的測(cè)量結(jié)果。選擇正確的測(cè)試方法，無(wú)論是基于材料還是基于電路的測(cè)試，均可在Dk和電路建模時(shí)提供可靠的數(shù)據(jù)。

TMM® 3-D模壓成型微波材料

TMM® 熱固性微波材料為羅杰斯特有專利產(chǎn)品，是一款針對(duì)高頻應(yīng)用設(shè)計(jì)的陶瓷、熱固性聚合物復(fù)合材料。該材料有PCB層壓板形態(tài)或者模壓成型的3D形態(tài)，是創(chuàng)新設(shè)計(jì)應(yīng)用的理想材料。其主要關(guān)鍵特性是極低的TCDk，介電常數(shù)可控制在3~12，低CTE，耐化學(xué)性高，以及可模塑成各種形狀。