高溫處理通常是高頻線路板加工製造的重要環節。從開始形成的電介質半固化片到覆銅層壓板,以及最終加工成型的電路元件,印刷電路板(PCB)材料的製作過程都需要加熱。熱塑性和熱固性兩種類型的複合材料通常用於印刷電路板的介電層,或者作為粘合劑用於製造覆銅板,它們各自具有自己的特徵和特性。但它們有什麼不同?兩種材料之間各有什麼優點和缺點?如何在兩種材料之間進行選擇?
熱塑性和熱固性材料都需要在高溫下都進行處理。熱塑性材料通常是剛性或呈現硬化狀態,但隨著溫度升高接近熔點材料會慢慢變軟。熱塑性材料可用填料來做增強,如玻璃纖維或陶瓷材料。一種眾所周知的用於高頻PCB板的熱塑性材料是聚四氟乙烯(PTFE),其通常通過各種形式的填料加固增強。
熱固性材料變硬過程是熱化學反應的結果,例如,將兩種環氧樹脂混合在一起時會發生化學反應,材料會變硬。由於它們開始時是軟的或液態的,所以熱固性材料可以與填充材料可以通過一個簡單的過程混合相達到增強的目的。但是一旦硬化或固化,熱固性材料通常比熱塑性材料更硬。熱固性材料硬化過程是不可逆的熱化學反應過程,它不能像熱塑性材料那樣再次融化。熱塑性材料在常溫下是穩定的,但熱固性材料在固化之前的保質期是有限的。
熱塑性材料,例如基於聚四氟乙烯(PTFE)的線路板,與銅相比它的熱膨脹係數(CTE)較高,早期被認為是很難進行金屬化過孔處理的。通常情況下,熱塑性材料的金屬化過孔需要採用特殊的化學工藝處理通孔孔壁,以在電鍍液與熱塑性聚四氟乙烯(PTFE)之間形成足夠強的粘連。與此相反,熱固性材料具有的熱膨脹係數(CTE)在數值上與銅的熱膨脹係數(CTE)更接近。在準備金屬化過孔時,允許使用標準的過孔加工工藝。
或許對PCB來說,描述熱塑性和熱固性材料之間差異最簡單的方法是:熱塑性材料能提供更好的電氣性能,但不足之處是需要更複雜的加工製造工藝;熱固性PCB材料更容易加工製造,但通常性能略低。
熱塑性材料與熱固性材料相比,通常具有較小的電氣損耗。另外,隨著時間推移和溫度不斷升高,熱塑性材料電性能變化相對於熱固性材料要小。而熱固性材料會隨時間氧化。氧化過程可導致印刷電路板材料的介電常數(DK)和損耗因子(DF)發生變化,並導致射頻/微波頻率等性能產生潛在的變化。
通過不斷研究和改進,羅傑斯公司的科學家們,同時提高了熱塑性和熱固性材料在PCB中的性能。通過添加合適填充材料,無論電氣性能還是機械性能都有很大幅度提高。舉一個例子,RO3000® 系列線路板材料是熱塑性陶瓷填充聚四氟乙烯(PTFE)複合材料,介電常數(DK)值可從3.0到10.2。作為熱塑性材料,它受時間和溫度影響較小,有著非常穩定的電氣性能及機械性能,具有較低的介電常數溫度係數(TCDk)。這相對於早期基於聚四氟乙烯(PTFE)的熱塑性線路板材料是一個巨大的改進。早期基於聚四氟乙烯(PTFE)Z軸熱膨脹係數(CTE)在300 ppm /℃甚至更高。
儘管RO3003™線路板材料是基於聚四氟乙烯(PTFE)適用於微波頻率的低損耗板材,但該材料並不受聚四氟乙烯(PTFE)典型高膨脹係數(CTE)的困擾。它採用了特殊的陶瓷填充材料,膨脹係數(CTE)顯著減小至24ppm /℃以下,基本上與銅的膨脹係數(CTE)17ppm /℃相當。此外,雖然大多數熱塑性線路板材料在做金屬化過孔之前,需要經過特殊的化學工藝處理,但RO3003熱塑性線路板材料僅需使用一個簡單可靠的等離子體處理工藝就可完成高可靠性過孔。
同時,通過實驗不斷完善,羅傑斯研發出了一款基於熱固性材料的RO4835™線路板。特殊陶瓷填充的線路板材料具有比傳統熱固性材料高得多的抗氧化性能,它是一種高性能的高頻應用材料。因為它並非基於聚四氟乙烯(PTFE),所以不需要特殊的工藝準備(如鈉蝕),直接使用電鍍方法就可以完成可靠的金屬化過孔。該材料同時兼容RoHS標準和無鉛焊接工藝。與那些使用FR-4的線路板材料一樣,它不但支持低成本的製造工藝,還同時兼顧卓越的射頻/微波電氣性能。
與熱塑性材料相比,儘管熱固性材料不具有低電氣損耗優勢,但RO4835熱固性材料具有較低的介電損耗,使其能夠應用於500 MHz以上的低成本電路。它在10 GHz頻率下Z軸介電常數為3.48,並且保證±0.05的公差。RO4835層壓板的金屬化過孔可以使用標準的加工工藝來完成,因為該材料實現了Z軸31ppm /℃的膨脹係數(CTE),基本上與銅的膨脹係數(CTE)17ppm /℃接近。
RO4835線路板材料的成功是基於羅傑斯公司另一款熱固性材料RO4350B™材料。RO4350B線路板材料符合RoHS標準,現已成為工程師設計大功率、高頻率放大器的不錯之選。RO4350B層壓板是一款非聚四氟乙烯(PTFE)的剛性熱固性材料。它可以在長時間內,甚至在高溫下實現優異的射頻/微波性能。具有優良的熱傳導性和機械熱穩定性,可穩定可靠的在功率放大器等各類超高功率的射頻電路上使用。RO4835和RO4350B熱固性材料在室溫下保持剛性穩定,具備易於加工的優點,其採用的製造加工方法通常與FR-4材料相同。
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