一文了解环境变化对电路性能的影响

电子电路是在基板材料的基础上构建的，这些材料可能极易受温度和湿度等环境条件变化的影响。很多商业应用、消费应用、甚至是医学应用的工作条件的变化是较为轻微的，例如都是室温（RT）和低相对湿度（RH）条件。但是，很多其他的应用就没有这么理想的工作条件了，尤其是设计用于航空航天（A&D）、工业以及太空环境的系统。并非所有电路材料的配方或特性都是针对不同应用所需的环境条件的不同组合而设计的，所以应谨慎考虑用于挑战性工作环境的高频、高速数字（HSD）电路的电路材料。

理想情况下，电子电路最好能始终在室温和低相对湿度条件下使用。但是，即使是消费类电子，例如手机，也不得不在室外使用，工作环境可能是炎热夏季，或者可能降到冰点（0℃或+32°F）以下的冬季。电路材料的电气性能也许在室温（通常是+25℃）条件下非常好，但也有可能会随着工作温度和/或湿度的变化而性能恶化。不过，很多电路在其使用寿命内，仅有一小部分时间是在理想条件下使用的。根据使用场合，工作温度和相对湿度可能发生极端变化，因此会影响基于基板材料制成的电路的性能。

为了表征高频、高速印刷电路板（PCB）材料在高温条件下的特征，已经开发出可重复的试验方法。测量被测材料制作的已知长度传输线的信号幅度和相位散射（S）参数，可以确定材料介电常数（Dk）和损耗因子（Df）等特征数据。例如，在室温条件下进行的测量可以提供材料Dk的参考值；在高温条件下获得的结果可以确定升温对电路材料Dk影响所需的详细信息。

测试TCDf 也是非常困难的，即使是用程控和精密的试验设备。不过还有一个更常见的参数，即插入损耗的温度系数（TCIL），该参数是基于评估温度变化对用某种电路材料制成的传输线插入损耗的影响。

温度环境下的测试

电路材料的Dk表示材料储存电磁（EM）的能力。电路材料的Dk是一个相对于真空Dk或1.00的数值。通过具有某一长度和宽度的传输线对传输信号幅度和相位的影响，我们能够深入了解传输线所用基板材料的特征。

PCB材料的Dk测试同时需要测量和计算。对于高频、高速电路材料来说，用于Dk的测量是建立在用相应材料制成已知长度传输线的基础上进行，例如微带线、带状线等众所周知的传输线类型。因为波长（和电路尺寸）会随频率增加而缩小，所以电路材料的Dk测试方法通常是在10 GHz或以下频率的带状线电路和30 GHz或更高毫米波（mmWave）频率的微带线电路基础上进行。例如，罗杰斯公司（www.rogerscorp.com）使用夹具式带状线方法测定10 GHz频率下的材料Dk，并使用微带线差分相位长度法测试77 GHz频率下的材料Dk。这些测试方法的准确度较高，可以用在常温和高温下测量温度对Dk和电路损耗的影响。

为了测试不同工作温度下的Dk值，我们用微带线差分相位长度法在高温环境下对工作于毫米波频率（77 GHz）的很多电路材料进行了评估，包括罗杰斯公司的RO3003G2 层压板材料。该测试是在两条传输线相位角测量的基础上进行的，且这两条传输线是用相同材料、相同类型铜导体所制成的不同长度传输线。首先在室温条件下测量相位，作为参考值；然后在高温条件下测量相位值。由于温度对传输线的影响，以及在实验频率和工作温度下对电路材料Dk的影响，因此室温和高温条件下测得的信号相位是不同的。

测试过程中，这些电路均连接到信号源和VNA上，先在室温条件下测量77GHz的每个电路的S参数，确定参考水平。对于高温条件下的测量，所有互连部位需保持不变，唯一的不同是控制的工作温度。将温度控制到65℃稳定后，再次测量获得在77 GHz条件下每个电路的幅度和相位的S参数。升高温度至125℃后再次重复测量。最终测量结果提供了两个不同长度的微带线电路在三种不同工作温度条件下77 GHz的幅度和相位的S参数值。这些数据即可用于确定被测材料的Dk和损耗随温度变化的特性。

测试结果

RO3003G2层压板材料的性能优异，其Dk和损耗（通常用Df表示）受高温升温的影响最小。

从测试结果来看：

1

在 77 GHz频率下（见图1），Dk的变化（ΔDk）非常小，在从常温25℃到高温125℃的较大温度范围内仅有0.010的变化量，对应相位的变化量（Δϕ）仅有 6°。

2

而相同条件下，5mil的基于PPE树脂的电路材料（见图2）从常温到高温的Dk的变化（ΔDk）是0.031，对应相位变化量Δϕ也较大，达到17°。

因此，通过多组材料的比较，RO3003G2层压板材料更适用于如汽车相控阵雷达天线等对温度条件敏感的电路的应用。

插图说明

在+25℃、+65℃和 +125℃条件下，5mil RO3003G2层压板和5mil PPE的层压板（均为0.5oz.电解铜箔）在77GHz下的Dk随温度对比图。

图1

图2

审核编辑 ：李倩