众所周知，电子行业可以追溯到1958年第一块集成电路诞生之时，晶体管的发明比集成电路的诞生早了10年。第一块集成电路包含1个晶体管和4个无源元件。如果只说从那时起到今天电子行业已经取得了很大的发展，不足以详尽描述电子行业的整体发展历程。
市场预期与行业的高速发展步伐相匹配。指数级的发展已成为常态，这是通过一系列的改进实现的，而不是像芯片光刻（摩尔定律）或处理器频率缩放(Dennard)这样的大飞跃。
从承认这一现实到采用整体观点承认系统的每个方面对整体性能作出的贡献并寻求优化它们之间的交互，这只是一小步。在尖端应用中，我们不再把PCB仅仅当作是安装和连接元件的介质。特别是在高信号速度下，基板、铜箔的特性及走线的几何形状决定了系统是否能够提供所需的性能。
许多业内企业已经认识到PCB已经成为高科技元件，特别是在汽车雷达、5G和千兆赫频率卫星通信应用领域。
低损耗基板
这些应用的运行接近典型材料所能提供的性能极限。需要了解和仔细管控电阻损耗机理，包括铜导体中的趋肤效应和绝缘基板中分子偶极矩引起的介电损耗。信号能量的微小损耗和每一次信号转换产生的相关热耗散的累积效应变得越来越显著。如果处理不当，这些损耗需要更强大的发射端、更灵敏的接收端和额外的热量管理，而在通常的功率、尺寸、质量和成本的制约条件下是行不通的。
人们对低损耗基板的需求日益增长，以满足对高性能系统的需求，具体包括从高端服务器和电信基础设施到毫米波5G、卫星和雷达应用。
通过增强PCB层压板的性能，才可能生产出能够处理数据中心和通讯交换机等要求苛刻应用的低损耗基板。优化光纤编织可以有效地最小化信号路径特性中的微小变化，这些变化会导致信号扭曲等失真，最终导致过多的噪声和信号错误。钻孔性能和抗CAF形成等特性也得到了改善。
在当今使用最高频率的应用中，陶瓷填充和聚四氟乙烯(PTFE)基材达到了行业最低的损耗因数。PTFE分子结构将氟原子排列成围绕碳主链的螺旋状，形成没有偶极矩的棒状刚性圆柱形状。由于没有任何偶极矩，传统基板电介质中由于信号电流引起的重复极化而产生的振荡被抵消，表现为极低的耗散因数(Df)，有助于减少信号损耗。
当今最先进的低损耗PTFE基板的Df为0.0015。此外该材料保持了良好的介电常数(Dk)，约为2.6。与其他低损耗材料相比，这些特性使设计人员能够更自由地优化导体走线宽度和箔层厚度，有助于提高所形成PCB的可靠性。Dk的值在不同温度及频率下也保持一致。
此外，PTFE通常具有稳定的物理特性。熔融时的熵较低，确保了较高的熔点。作为一种热塑性材料，PTFE不存在玻璃化转变温度(Tg)，而且PTFE也耐氧化或耐化学侵蚀。因此它的特性不会随时间的推移而变化。添加微分散填加剂系统可以控制热膨胀系数(CTE)。
PTFE的实际应用
目前，PTFE是用于高频低损耗应用的最佳材料技术。它是商用低损耗材料的基础，例如Ventec的tec-speed30系列（图1）。这些应用包括77~81GHz汽车雷达天线、交通探测雷达、低噪声功率放大器和无线通信天线，以及卫星通信系统等。
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图1：Ventec高频产品解决方案
然而使用PTFE也带来了必须克服的挑战。由于熔化时获得的能量相对较少，因此即使在熔融时，材料也不会流动，因此通常通过烧结来实现加工。此外由于表面能极低，很难将铜箔附着到PTFE上。这种低表面能的特性也使PTFE在润滑剂中具有优异的不粘特性。
就切割和机械加工等工艺而言，纯PTFE也极具挑战性。将PTFE与陶瓷填加剂混合可提高机械稳定性并优化整体性能。通过调整其成分和陶瓷颗粒大小，可以优化最终基板的可制造性和性能。
为了有助于铜箔的附着，铜箔的黏合表面需要达到一定程度的粗糙度。此外必须考虑高信号频率下趋肤效应的影响。在10MHz下，趋肤深度约为21微米，而标准铜箔的总厚度高达35微米，轮廓深度（表面粗糙度）高达10微米。在这种情况下，趋肤深度大于轮廓深度，电流路径相对不受影响。但在100MHz时，趋肤深度仅为6.6微米，载流通道会受表面轮廓影响，还会受到路径长度和阻抗增加影响（图2）。
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图2：100MHz下铜箔的趋肤效应
低轮廓（5.0~9.9微米）和超低轮廓（小于5微米）铜箔有助于缓解由趋肤效应造成的问题。目前已开发出几乎无轮廓(al-most-no-profile，简称ANP）铜。虽然这些措施在提高高频信号性能方面是有效的，但将超低轮廓箔附着到PTFE基板上仍然极具挑战性，需要专有技术。
低损耗基板的未来
当今先进的低Df、低Dk的PTFE材料是业界最佳的低损耗方案，并且可能会在一段时间内保持这种状态。随着进一步的发展，它们无疑将变得更具成本效益，尤其是随着越来越多的应用朝向更高频率发展，行业将致力满足市场对更多功能、更多数据和更快性能的需求。
更多内容可点击这里阅读原文查看，文章发表于《PCB007中国线上杂志》22年5月号，更多精彩原创内容，欢迎关注“PCB007中文线上杂志”公众号。
