微波材料提供低损耗和高稳定性

微波材料不仅起着在电路板上连接或分离电路走线和接地线的作用，它们还必须将缩短元器件寿命的热量扩散出去。此外，即便在新设计吁求更大功率和更高热稳定性的情况下，材料也还必须对电路在不同温度条件下的长期稳定工作提供支撑。为支持未来的设计，材料在变得越来越复杂的同时，还有望提供更高的导热率、更低的损耗以及其它方面的改进。目前的材料加工方法源自纳米技术和可调技术等各种方案。但无论它们采用哪些方法，材料的进步正孕育出新一代器件、半导体和系统。

例如，Arlon公司的一篇论文讨论了材料将对系统产生怎样的影响。该论文称，与印刷电路板(PCB)使用的传统基板材料相比，导热基板具有若干优势，通过增加层压板的导热性，工程师可以保证将热量从对温度敏感的器件和焊点处扩散出去。器件引出接点的最高温度被降至最低，从而延长器件的使用寿命、提高设计可靠性。此外，由热膨胀系数引起的热漂移效应被减至最小，因此还降低了对加工硬化的要求。

如果选用了合适的工程陶瓷，当发生温漂时，微波层压材料将具有更高的相稳定性。例如，相稳定的陶瓷可以抑制微波层压板所用的低损耗聚四氟乙烯(PTFE)树脂的温度敏感性，因此，设计师可以将工作温度变化导致的介电常数漂移所造成的非一致性频率响应降至最低。另一方面，借助在特定频点共振频率的显着变化以及带宽滚降，天线设计可以实现更低的增益性能。该论文指出：特别是在高频应用，电损耗低的材料可降低诸如耦合器、滤波器和馈送网络等无源元器件的发热。可通过x/y或z任一方向将热从有源元器件扩散出去的材料，有助于提升这些元器件的可靠性。

RF和微波应用要求损耗低、介电常数的变化要小。传统上，具有这些属性的材料包括PTFE和其它低损耗热固树脂聚合物。根据Arlon的论文，无纺玻璃纤维增强型PTFE的介电常数约在2.2至2.33之间。与此相比，有纺玻璃纤维增强型PTFE的介电常数约在2.2至3.0以上。在添加陶瓷填料后，基于PTFE材料的介电常数可达10.2或更高。

聚四氟乙烯最初是由W.L. Gore & Associates生产的。目前，Gore提供类似GORE snapSHOT那样的电磁干扰(EMI)屏蔽方案。snapSHOT是一种用于无线通信设备的多腔、板级电磁干扰屏蔽产品，它本质上是一种重量轻的金属化塑料屏蔽材料，可针对任何应用进行热成型处理。它具有将焊球用作独特卡固结构的附接特性。仅对该屏蔽材料的外部进行金属化镀锡处理，其内表面仍是绝缘的。与采用现有屏蔽方案的电路设计相比，采用该屏蔽材料可将地电位导线做得更窄、器件间距做得更小、整体厚度做得更薄。

该公司还针对芯片封装基板和PCB推出了一系列复合有机电介质材料。例如，GORE G410预浸有机基板据称能以改良的PCB构造技术，制造出可靠、高性能的单芯片基板封装。

Rogers是另一家在微波材料领域源远流长的公司。今年在美国举行的“IMAPS器件封装”展上，该公司重点推介了RO2808和ULTRALAM 3000层压板。RO2808陶瓷填充PTFE材料的介电常数高达7.6。该公司介绍道，这种材料具有与低温共烧陶瓷(LTCC)基板相当的稳定性和高频性能。RO2808材料的损耗角正切值低至0.002以内，板材可薄至1mil(1/1,000英寸)，能用于非常小型化的设计。

Rogers的ULTRALAM 3000系列液晶聚合物(LCP)电路材料的特点，是具有低且稳定的介电常数(2.9)。其吸收的水分不到材料总重的0.04%。这些双面覆铜层压板具有0.001、0.002和0.004英寸非常薄的结构。

Rogers公司自称是第一家提供用于高频材料阻性铜箔的公司。最近，该公司携手Ohmega Technologies一起开发RT/duroid 6002PR和RT/duroid 6202PR材料。虽然这两种材料类似，但RT/duroid 6202PR为了使薄的电介材料具有更好的机械强度，有限度地使用了编织玻璃纤维。这一开发的目标是大幅降低电阻变化。对高频率材料而言，电阻变化往往可达20%以上。采用RT/duroid 6002PR和RT/duroid 6202PR可将变化控制在10%以内。

为给多层设计提供高水平的尺寸稳定性和配准一致性，Arlon的CLTE-AT微弥散陶瓷PTFE复合材料采用了有纺玻璃纤维增强技术。该复合材料以其0.0013的损耗角正切值而独树一帜。CLTE-AT还采用了平均表面粗糙度(Rz)小于4.0μm的更光整的铜材，而许多竞争产品使用的是9到10μm较粗糙的铜。因此，它承诺在保持薄层板上的细导线所需的剥离强度的同时，可减小插入损耗和传输线阻抗。在约200MHz频率下，CLTE-AT具有3.0的电介常数，其X和Y轴的热膨胀系数(CTE)仅为8ppm/℃，而Z轴的是20ppm/℃。

为提高手机功率放大器的效率，意法半导体(ST)和Paratek已展开合作，共同推动Paratek下一代ParaScan材料的大批量生产。这两家公司计划联合开发可提高手机总辐射功率(TRP)的可调产品。基于ST的集成无源和有源器件(IPAD)技术，这两家公司计划利用ParaScan材料研制出高品质、高可靠的可调电容器。

这些可调电容可用来实现无线手持设备的动态阻抗匹配，这样在降低通话掉线和漏接可能性的同时，可调电容还提升了功放效率、延长了电池续航时间。借助射频调谐，经由自适应阻抗匹配电路，手机天线能更高效地工作。因为天线可以做得更小，所以这种技术还能让制造商制造出更小、更薄、更具差异性的手机产品。

另一个以材料为纽带、旨在帮助手持设备制造商推出小型化产品的合作关系，是通过整合实现的。具体说，就是SABIC Innovative Plastics和LPKF Laser & Electronics AG携手，将LPKF的激光导引建构(LDS)技术与SABIC Innovative Plastics的材料结合起来。当今的原始设备制造商(OEM)利用在塑料部件内整合了电路导线、采用LDS技术制造的模压互连器件。激光在模压塑料外壳上雕刻出一个复杂的三维结构，以准备进行金属化处理。归功于这一合作，现在可将电子和机械功能整合在一起，如单一模块内的手机天线(图1)。

图1：通过联合采用LDS技术与特殊材料，可实现单一模块内的手机天线。

一些人预测，未来氧化锌(ZnO)将涵盖从薄膜晶体管到传感器等许多应用。氧化锌经常与其它材料结合起来使用，或者也可将其制作成新型纳米结构，每个都有自己独特的性质。此外，Rogers正完成一种主要用于机载天线应用的新型高频材料——RT/duroid 5880LZ的开发。该材料的介电常数为1.96、介电常数的温度系数是+22ppm/℃、密度是1.37gm/cm³(比PTFE/玻璃轻30%)。

展望未来，材料方面的进步也将越来越多地以软件为中心，因为工程师越来越多地求助软件来模拟其电路板材料或真实世界的设计问题。例如，DuPont Microcircuit Materials和CAD Design Software这两家公司已宣布，他们已为陶瓷(混合/MCM-LTCC)电路设计，将杜邦的GreenTape LTCC材料和制造工艺整合进CAD Design Software的电子设计自动化(EDA)设计工具中(图2)。

图2：软件工具经过了定制以便采用LTCC材料和制造工艺。

通过整合杜邦的Green Tape 951和943系统，CAD Design Software的陶瓷设计工具自动处理杜邦公司建议采用的LTCC工艺。从CAD Design Software的材料库内选用材料的能力，允许用户设置自定义的技术参数来启动一种陶瓷设计，或从预设置的技术文件清单内，选用一种技术。此外，为简化陶瓷设计流程，CAD Design Software还整合了许多CAM工具。

作者：Nancy Friedrich

《Microwaves & RF》