【应用】具有高散热，空间稳定性以及安装又是的厚金属覆层高频层压板

时间： 2018-03-06 来源：ROGERS(世强编辑整理) 作者：馨小喵

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除了常规的单面或双面覆铜箔基板之外，高频层压材料也可以在一面用厚金属，另一面用铜箔，厚金属通常在0.020至0.500英寸的厚度范围内,它用作带状线和微带电路板的接地面，如图1所示。ROGERS公司通过将一面用厚金属一面用铜箔的高频层压材料与双面覆铜的材料进行比较，来说明其在设计、工艺和性能上的优势，同时也对厚金属选择、层压板加工与应用进行了说明。

图1 用厚金属覆层的材料图示

一、优势

1、散热

玻纤增强的PTFE复合材料如RT/duroid^® 5880层压材料，或陶瓷PTFE材料例如RT/duroid^® 6010层压材料，它们都具有相对较低的导热率值（与铝金属的约220Wm^-1K^-1或氧化铝9.7-15.6 Wm^-1K^-1相比，典型值分别为0.26和0.41Wm^-1K^-1）。在高功率应用中，设计人员必须适应有源器件的散热、导体电阻损耗和介质损耗。厚金属接地面会提供高热流量以保持元件温度受到控制，通过二极管或电阻器之类的有源或无源元件直接安装在通过电介质机加工的狭槽或盲孔中的接地面，以提供最大的散热。此外，对于承载高电流的电路走线而言，散热器接地层和绝缘体的直接结合能使热流路径最小化。

2、连接器安装

当电路板和外壳是一个封装的独立部件时，可能会出现电路板和外壳之间的热膨胀系数（CTE）不匹配，从而导致连接器引脚连接到电路板上的热循环金属失效，甚至在组装期间导致对准问题，而厚金属覆盖层压板通过以下两种方式解决该问题：（1）叠层的复合X、Y平面CTE由较厚的厚金属层支配；（2）连接器主体可以直接将边缘安装到由电路板的接地面形成的刚性整体底盘上，如图2所示。

图2 边缘带有用于安装螺钉的插槽以便垂直调整

3、元件安装

有源和无源电路元件都可以直接安装在通过电介质铣削的槽或盲孔中的接地平面上。此外，厚的金属接地面为连接提供了一个坚固的基座，选择一个尽可能匹配组件CTE的金属可以提高极端热循环环境的可靠性与安装元件的可靠性。

4、导体的热应力开裂

如图3所示，极端的热冲击或循环环境可能会导致只有薄铜箔覆盖层的电路板开裂失效，而一个厚的铜接地面将把几乎所有的张力放在软电介质上，以使问题最小化。

图3 热循环后导体开裂

5、空间稳定性

通常通过将箔层和基底层夹紧并加热至高于327℃（620°F）的PTFE结晶熔点温度，从而把铜箔层压到基于PTFE的电介质上。在这过程中，铜箔与电介质基材之间的CTE不匹配会导致在层压材料冷却时内部的应变发展，这种应变根据层压板中各层的相对厚度分布在基材和较高模量的箔之间。虽然较厚的金属通过与较薄金属相同的高温工艺进行层压，内部应变仍然存在，但是更多地由基底承受，相对来说，厚金属包层厚度至少应为介质厚度的二至三倍，会具有更好的空间稳定性。

6、外壳

微带电路板通常安装在金属外壳中以保护有源元件，厚金属层可以用机械螺钉轻松安装，通过对电介质进行扩孔，可以消除螺钉头下PTFE基底的变形和松动。

二、厚金属选择

在厚金属选择上，通常选择铝、黄铜和铜作为厚金属覆层，其中最常见的是铝。首先，从性能上对它们进行比较，如图4展示了三种厚金属选项的典型属性。

图4 厚金属选项的典型属性

图5展示了覆厚金属层压板的典型属性。

图5 厚金属覆层的层压板典型性能

图6给出了金属厚度选项，这些厚度和公差被认为是行业标准。需要注意的是，TMM材料不提供铜包层。

图6 行业厚度（英寸）

除了考虑以上典型性能之外，还需要考虑成本、功率、射频损耗等因素。对于给定的厚度，铝的单位面积成本最低，但如果厚度是由机械强度的要求而决定的，那么黄铜可能是最好的选择。此外，铜最适合需要高散热与高导热性的高功率应用，它具有两倍于铝的导热率和三倍于黄铜的导热率，而具有高特定热量的铝尤其适合短期的高加热速率的工作。在高频时，导体损耗变得非常重要，它是电阻率和表面粗糙度的函数，可以通过指定更平滑的电介质/接地平面界面来最小化，铜或铝比黄铜更适合高频率、低损耗的应用，因为黄铜的电阻率较高。

三、厚金属覆层的层压板加工

加工过程中，厚金属接地面容易受到某些工艺解决方案的影响，如浸渍抛光，电镀槽或蚀刻剂，这种情况需要对厚金属进行掩盖：（1）胶带快速，方便，成本低，可以遮盖不平整的表面；（2）光刻胶膜是一种用于打印不复杂表面的胶带的替代品；（3）通过喷涂等方式施加的液体光刻胶对于复杂的曲面表面是有效的；（4）采用类似于液体抗蚀剂的漆，其优点是较高粘度的漆将覆盖小到中等直径的孔。

四、应用

具有厚金属覆层的RT/duroid^®层压板在微波设计中越来越受欢迎，其中厚金属覆层的高Dk材料（如RT/duroid^® 6010陶瓷填充PTFE复合材料）由于其具有较低的成本、良好的热管理和尺寸稳定性，因此逐渐取代了功率放大器应用中的氧化铝基板。此外，厚金属覆层的低Dk材料RT/duroid^® 5880微波层压板正在用于许多带状线和微带线设计，包括大型天线阵列中的辐射元件、移相器、功率分配器和这些天线的馈电网络、分立式微波器件封装如滤波器、耦合器和开关等。

技术顾问：winthony

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产品型号	品类	产品系列	介电常数（Dk）	正切角损耗（Df）	介质厚度(mm)(mil)	导热系数W/(m·K)	铜箔类型	铜箔1厚度	铜箔2厚度	尺寸(inch)
5880LZNS 24X18 H1/H1 R4 0100+-001/DI	层压板	RT/duroid® 5880LZ	2	0.0027	0.254mm(10mil)	0.33	电解铜	H1	H1	24X18

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