電氣性能的一致性對于生產大批量的印刷電路板（PCB）來說是至關重要的。PCB應用的頻率越來越高，如毫米波頻率的第五代（5G）蜂窩無線網絡和77 GHz汽車雷達等，PCB上任何的一些不一致都會變得非常明顯，特別是電路工作在波長變短的毫米波頻段時。PCB板和電路材料在電氣性能方面總會有一些變化，所以電路設計人員可以通過計算機模型來探索這些變化可能造成的性能影響。PCB加工過程中短期熱效應也會造成性能的變化。了解這些短期熱效應將有助于增強和提高PCB電路在毫米波頻率下射頻性能的一致性。

與PCB生產相關的短期熱效應通常與焊接和電路組裝有關，PCB加工過程中會涉及多個短期熱過程。一般情況下，這些熱過程均控制良好，對射頻性能的一致性影響很小或沒有影響。需要說明的是，PCB制作中的重工流程需要短暫暴露高溫，但這一流程并不屬于標準PCB組裝工序。雖然大多數高頻電路材料都不會由于短暫暴露于高溫而發生性能衰退，但是某些電路的特性和部件會由于短暫暴露高溫而發生電氣性能差異，例如，銅箔導體的最終表面鍍層可能會由于高溫而產生傳導率變化。

回流焊接工藝可能會影響電路材料性能，但這也取決于焊接工藝和材料。電路材料的短期熱效應的一個重要問題是不受控的焊接過程，通常與手動、手工焊接工藝或重工流程相關。雖然本文中暫未考慮手工焊接的短期熱效應，但重要的是要知道電路材料的手工焊接等過程可能會影響電路材料及該材料上制作的電路質量。

如果焊鐵的溫度過高，高于電路材料的裂解溫度（Td），那么就會造成焊接和高溫附近的介質材料發生分解。電路材料本身的性能退化可能并不明顯，但是如果電路建立在受熱損傷的材料上，那么則可能出現長期可靠性問題。如果電路用于PCB進一步加工時，則可靠性問題還可能源于電路材料退化區域內的電路導體下依靠毛細作用滲入的一些加工中的化學成分。為了避免電路材料由于短期熱效應而發生裂解，重要的是需控制焊接過程溫度低于電路材料的Td溫度，并盡可能縮短回流焊接溫度下的時間。

大多數大容量電路制造的回流焊接工藝均能很好地控制溫度和高溫暴露時間。這些工藝通常在不同溫度的多個階段發生，所以電路不會由于某一短暫時期內的溫度急劇變化而受到熱沖擊。電路溫度會慢慢升高至回流焊接溫度，并在盡可能短的時間內保持該溫度，以使焊料能流動，然后電路通過一個或多個溫度變化階段進行冷卻?；亓骱附庸に嚩加谢镜膮翟O置，但針對每個電路設計通常有一個專用的回流焊接工藝。每個電路設計的焊接區域都可能有不同散熱效果，這是因為電路結構、電路設計和PCB上待焊接的部件并不相同。圖1所示顯示了典型的大容量無鉛回流焊接工藝的時間-溫度關系。

熱塑性或熱固性材料是最常用在射頻/微波行業中的高頻電路材料。熱塑性材料較柔軟，通常比熱固性材料更易彎曲。熱塑性材料在暴露于較高溫時會變軟，并會在達到特定溫度及更高溫度時熔化。熱固性材料也隨著溫度升高也會變軟，但不會熔化。這兩種材料都有Td溫度，即一旦達到及超過該溫度就會分解。用于射頻/ 毫米波PCB的大多數熱塑性材料均是基于聚四氟乙烯（PTFE），這種材料在高溫下的性能幾乎沒有變化，且暴露于焊接溫度下表現穩健。

熱固性材料在高溫條件下會發生氧化。當溫度低于電路最高工作溫度（MOT）時，氧化物需要很長時間才會堆積在電路的介質材料的表面。堆積的氧化物通常會使電路材料表面的介電常數（Dk）[又稱相對介電常數（εr）]及其材料損耗因子（Df）增加。然而，根據溫度和材料配方的不同，某些熱固性材料上的電路可能需要數月甚至數年才會顯現出由于氧化物層造成的射頻性能方面的有意義的變化。

一般情況下，在回流焊接和零件組裝導致的短期熱暴露期間，其溫度會遠遠高于電路的MOT。射頻電路的MOT一般為105°C，基于MOT的溫度將需要很長時間（數周、數月或數年）才能使而氧化物堆積而對電路性能的影響變得明顯。

如圖1所示，回流焊接溫度遠遠高于射頻電路的典型MOT值。PCB的電路材料在組裝期間需暴露于約240°C左右的回流焊接溫度。雖然暴露在該高溫的時間不長，通常可能是30秒~3分鐘不等而被認為是短期熱暴露，但高溫會導致氧化加速，更快地形成氧化物。對于一些熱固性高頻層壓板來說，在回流焊接工藝期間形成的氧化物對電路材料的射頻電氣性能的影響很小或幾乎沒有，特別是僅進行單次回流焊接。當組裝PCB需要電路經受多次回流焊接工藝和熱暴露時，就會有一些擔憂。

圖1：大容量回流焊接工藝的時間-溫度關系示例

射頻PCB行業使用的熱固性高頻電路材料的配方各有不同，所以經受多次回流焊接工藝的短期熱暴露的影響也不同。當前最常用的回流焊接工藝是無鉛回流焊接工藝，它要比已被取代的早期的共熔焊錫（含鉛）回流焊接工藝更具熱侵蝕性。由于需要多次的回流焊接，所以在一些設計中，終端用戶可能會要求在PCB經過六次無鉛回流焊接工藝之后對多個電路進行評估。該評估通常必須對電路組裝的物理和機械完整性進行檢查，以確保射頻電路通道在多次回流焊接期間的導電性和連續性不會被破壞。然而，往往忽略了多次回流焊接工藝是否已影響電路的射頻性能，從而導致PCB組件性能發生了變化。

對于任何基于熱固性材料上的電路，在多次無鉛回流焊接后介質基板都會有一定的色差。即使是最高抗氧化的熱固性高頻材料，在每次無鉛回流焊接后也會有少許的色差，如圖2所示。不應自動地將色差與性能差異聯系起來。根據材料配方的不同，顏色可能涉及或不涉及射頻性能差異。

圖2：5mil厚度RO4830™層壓板上的電路顏色，對比六次無鉛回流焊接后的變化。

在六次無鉛回流焊接后，對于單個電路的色差就變得很明顯了。實際上，PCB和電路組件是由多種高頻熱固性電路材料制成的，具有不同的顏色，所以六次無鉛回流焊接造成的顏色變化會小得多。雖然色差可能看起來較為主觀，但也可以利用根據反射波長的色度計進行更精確地測量。圖3中所示即是圖2中的電路的色度計測得的顏色變化結果。

多次回流焊接造成的電路材料色差表明在這些焊接期間存在氧化物的堆積。雖然早期氧化物沉積可能會減少材料及其電路長期氧化物堆積，使長期老化性能更加一致。如前面幾張圖中的RO4830™材料，材料具有強的高溫暴露下的抗氧化性能，所以早期氧化物對電路材料Dk變化產生幾乎沒有影響。

如圖4中所示的RO4830材料，多次無鉛回流焊接工藝所導致的電路材料Dk隨頻率的性能變化很小。在毫米波頻率下對經歷六次無鉛回流焊接工藝的電路進行測量時，77 GHz時的介電常數變化或ΔDk為0.014。為進一步探索多次無鉛回流焊接工藝的影響，圖5顯示了圖2~4的相同電路，比較了它們在毫米波頻率的插入損耗隨頻率的變化。如圖中所示，即使在77 GHz多次回流焊接對插入損耗性能產生影響也可以幾乎忽略不計。

圖4和圖5中的微小變化表明，RO4830材料即使在經歷六次無鉛回流焊接工藝后也會表現出穩健的射頻性能。與進行完全相同試驗的其它高頻熱固性材料相比，在77 GHz時的ΔDk變化是遠優于其他熱固性材料的。接受相同測試的其他熱固性材料由于樹脂體系和配方的不同其ΔDk值的范圍為0.013~0.031。

通常，兩次回流焊之間的插入損耗差異很小，且難以精確測量。為了更好了解毫米波頻率下多次無鉛回流焊接間的差異，可將圖5在77 GHz為中心附近的放大，如圖6所示。

在圖6中，基線是指對被測試電路在進行無鉛回流焊接工藝之前進行的損耗測量。從基線到第一次無鉛回流焊接（無鉛回流焊1），插入損耗有增加。這是因為電路材料加工過程中所吸收的少量濕度和水分在無鉛回流焊接工藝高溫中會被排出。電路材料中濕度或水蒸氣減少會降低介質損耗，從而插入損耗減小。

圖3：圖2中電路的色度計測量結果。

圖4：經過六次無鉛（LF）回流焊接后的Dk隨頻率變化結果

圖5：經過六次無鉛回流焊接后的插入損耗比較

圖6：圖5中數據的放大視圖顯示了每次無鉛回流焊接的影響。

無鉛回流焊接工藝過程都發生的很快，由于電路中濕度的揮發導致第二次無鉛回流焊接（無鉛回流焊2）的插入損耗最小。第三次無鉛回流焊接（無鉛回流焊3）的短期熱效應則使插入損耗增加。假設所有水分在無鉛回流焊2之后已全部排出，那么無鉛回流焊3引起的插入損耗的增加則全是由于氧化效應作用。該氧化效應會稍微增加基板Df，影響沿信號導體邊緣的邊緣場。由于氧化物堆積在電路基板的裸露表面上，所以余下的無鉛回流焊接次數所增加的插入損耗較小。

由于無鉛回流焊接工藝期間的暴露高溫的短期影響，化學鎳金ENIG表面處理也會受到影響而影響電路的高頻性能。ENIG等表面處理可為電路表面銅箔提供氧化保護，但是也會增加導體損耗，從而導致電路插入損耗增加。通過對比不同加工板廠制作的ENIG表面處理的不同PTFE電路，確定ENIG電路經過無鉛回流焊接后能影響射頻性能，特別是在頻率較低時。圖7所示即為ENIG電路經過無鉛回流焊接工藝的損耗的典型響應。

圖7：采用ENIG表面處理的8inch長的電路的插入損耗，比較了回流焊之前與兩次無鉛回流焊后的插入損耗情況。

圖7中的結果是基于羅杰斯公司的0.5oz、壓延銅的5mil RO3003™層壓板上的50 Ω微帶傳輸線電路?；赑TFE的RO3003電路材料因多次無鉛回流焊接工藝后的電氣和機械穩定性而被熟知。試驗之初是利用不同PTFE層壓板上的微帶線電路重復進行該試驗時，得到了相近似的結果。因此，為了進一步觀察無鉛回流焊接工藝的影響，對來不同加工板廠的ENIG表面處理的5mil RO3003層壓板上的微帶線電路也重復了這一測量分析，結果類似。

焊錫也可能會影響電路的電氣性能。所以為了更好地了解無鉛回流焊接工藝對本文中研究的電路和材料的影響，所有測試研究中并未在電路中添加焊錫。更確切地說，電路在不添加焊錫的情況下進行了無鉛回流過程，也就是只進行了其高溫過程。這樣，可以研究無鉛焊接工藝的影響，而不會由于焊錫原因導致射頻性能的變化。

更高頻率

工作在毫米波頻率的電路一般不采用ENIG表面處理，因為ENIG在這些頻段下會帶來額外的損耗增加。毫米波頻段下波長短、趨膚深度小，而鎳層厚度相比較就顯得足夠厚了。鎳層厚度的變化也會導致毫米波頻率下的電氣性能的變化。毫米波頻率下的表面處理可以采用化學沉錫，化學沉銀，也可以采用有機保焊膜（OSP）。

低頻段的毫米波汽車雷達電路經常會采用化學沉錫的表面處理。不同的板廠的化學沉錫工藝可能會略有不同，不同的化學沉錫對電路的射頻性能略有差異，但是都不顯著。然而，化學沉錫經過無鉛回流焊接后會造成高頻電路的電氣性能差異，如圖8中所示。

圖8：50 Ω微帶傳輸線電路在裸銅時、化錫以及化錫電路兩次無鉛回流焊接后的插入損耗對比

化學沉銀也廣泛用于汽車毫米波雷達電路。通過研究多個不同的化學沉銀發現其對電氣性能的影響很小。與基準裸銅電路相比，化學銀電路顯示了較寬頻率范圍內的電氣性能幾乎無差異。圖9顯示了裸銅和化學銀的傳輸線電路的插入損耗差異。

圖9：50 Ω微帶傳輸線電路在裸銅時、化銀及化銀電路進行兩次無鉛回流焊接后的插入損耗對比

在更高頻率下使用化學銀表面處理時，銀本身的氧化可能是一個擔憂。隨著時間的推移，沉銀表面會逐漸失去光澤，導致外觀不良。眾所周知，大多數金屬氧化物的傳導性要遠遠低于其金屬本身。隨著氧化物堆積，導體損耗會增加，所以此時電路的插入損耗也會隨之有所增加。幸運的是，氧化銀的傳導率非常接近銀本身，即使銀的氧化物進一步堆積而失去光澤導致外觀不良，但卻不會明顯改變沉銀電路的射頻性能。驗證發現，該結果至少在4-5內保持有效。

結論

電路材料需經過多個不同工藝才能構建成型的PCB電路，其中許多工藝都會使材料在不同時期暴露于高溫環境中。如需進行多次無鉛回流焊接工藝的電路需反復經受高溫，盡管時間都很短暫但都可能造成電氣性能的差異。所以，對于用于射頻/毫米波電路的材料，首位考慮獲得高頻下的最佳電氣性能，材料在組裝焊接過程中的短期熱效應也不可忽略。