高頻板材介電常數(shù)對(duì)比分析
不同高頻板材的介電常數(shù)各不相同,適用于不同的應(yīng)用場景。本文將對(duì)常見高頻板材的介電常數(shù)進(jìn)行對(duì)比分析,幫助工程師根據(jù)設(shè)計(jì)需求選擇合適的材料。
一、常見高頻板材介電常數(shù)對(duì)比
(一)PTFE(聚四氟乙烯)基材
- 介電常數(shù)范圍:2.0 - 2.6
- 特點(diǎn):具有極低的介電常數(shù)和介質(zhì)損耗,優(yōu)異的耐熱性和化學(xué)穩(wěn)定性,適合超高頻應(yīng)用,如毫米波、雷達(dá)等。
- 局限:機(jī)械性能較差,成本高,加工難度大。
(二)陶瓷填充 PTFE(如 Rogers RO4000 系列)
- 介電常數(shù)范圍:3.3 - 3.6
- 特點(diǎn):Dk 值適中且穩(wěn)定,介質(zhì)損耗較低,性價(jià)比高,易于加工,熱穩(wěn)定性好。
- 應(yīng)用:廣泛用于 5G 基站、射頻模塊等。
(三)熱固性烴類樹脂(如 Rogers RO3000 系列)
- 介電常數(shù)范圍:3.0 - 3.5
- 特點(diǎn):Dk 值穩(wěn)定,介質(zhì)損耗極低(0.001 - 0.003),適合高頻多層板設(shè)計(jì)。
- 應(yīng)用:適用于衛(wèi)星通信、高端射頻設(shè)備。
(四)改性環(huán)氧樹脂(如 Nelco N4000 系列)
- 介電常數(shù)范圍:3.6 - 4.2
- 特點(diǎn):Dk 值稍高,成本較低,高頻性能略遜于 PTFE 材料。
- 應(yīng)用:適合中高頻消費(fèi)類電子。
(五)陶瓷基材
- 介電常數(shù)范圍:一般高于 10
- 特點(diǎn):高介電常數(shù)、低介電損耗、高熱導(dǎo)率、低熱膨脹系數(shù),適用于高功率密度和高溫環(huán)境。
- 應(yīng)用:用于高頻功率放大器、雷達(dá)模塊等。
(六)Rogers 5880 與 Taconic TLY-5
- Rogers 5880
- 介電常數(shù):2.20(@10 GHz)
- 特點(diǎn):基于 PTFE,填充陶瓷顆粒,具有極低的 Dk 和 Df(Df 約 0.0009 @10 GHz),適合高頻和超高頻應(yīng)用。
- Taconic TLY-5
- 介電常數(shù):2.20(@10 GHz)
- 特點(diǎn):基于 PTFE,填充玻璃纖維,機(jī)械強(qiáng)度較高,但在高頻性能上略遜于 Rogers 5880。
(七)不同 Dk 值的 Rogers 材料
- RO3003? 基板:Dk 值為 3(z 軸設(shè)計(jì)),SPDR Dk 值為 3.05(x - y 平面)
- RO3006? 基板:Dk 值為 6.5(z 軸設(shè)計(jì)),SPDR Dk 值為 7.2(x - y 平面)
- RO3010? 基板:Dk 值為 11.2(z 軸設(shè)計(jì)),SPDR Dk 值為 12.4(x - y 平面)
- RO3035? 基板:Dk 值為 3.6(z 軸設(shè)計(jì)),SPDR Dk 值為 3.7(x - y 平面)
- RO4003C? 基板:Dk 值為 3.55(z 軸設(shè)計(jì)),SPDR Dk 值為 3.7(x - y 平面)
- RO4350B? 基板:Dk 值為 3.66(z 軸設(shè)計(jì)),SPDR Dk 值為 3.75(x - y 平面)
- RO4360G2? 基板:Dk 值為 6.4(z 軸設(shè)計(jì)),SPDR Dk 值為 6.5(x - y 平面)
(八)RT/duroid 系列
- RT/duroid? 6002 基板:Dk 值為 2.94(z 軸設(shè)計(jì)),SPDR Dk 值為 2.94(x - y 平面)
- RT/duroid 6006 基板:Dk 值為 6.45(z 軸設(shè)計(jì)),SPDR Dk 值為 8.3(x - y 平面)
- RT/duroid 6010.2 LM 基板:Dk 值為 10.7(z 軸設(shè)計(jì)),SPDR Dk 值為 13.4(x - y 平面)
- RT/duroid 5880 基板:Dk 值為 2.2(z 軸設(shè)計(jì)),SPDR Dk 值為 2.3(x - y 平面)
(九)TMM 系列
- TMM? 3 基板:Dk 值為 3.45(z 軸設(shè)計(jì)),SPDR Dk 值為 3.4(x - y 平面)
- TMM 4 基板:Dk 值為 4.7(z 軸設(shè)計(jì)),SPDR Dk 值為 4.8(x - y 平面)
- TMM 6 基板:Dk 值為 6.3(z 軸設(shè)計(jì)),SPDR Dk 值為 6.5(x - y 平面)
- TMM 10 基板:Dk 值為 9.8(z 軸設(shè)計(jì)),SPDR Dk 值為 10.8(x - y 平面)
- TMM 10i 基板:Dk 值為 9.9(z 軸設(shè)計(jì)),SPDR Dk 值為 10.3(x - y 平面)
- TMM 13i 基板:Dk 值為 12.2(z 軸設(shè)計(jì)),SPDR Dk 值為 12.3(x - y 平面)
二、不同板材介電常數(shù)變化規(guī)律
(一)PTFE 高頻板
- Dk 變化:在微波頻段(1 MHz - 1 GHz),Dk 值隨頻率增加略有上升,但變化不大。因 PTFE 是低損耗材料,其 Dk 值在高頻下相對(duì)穩(wěn)定。
- Df 變化:Df 值隨頻率增加而上升,因高頻下材料分子振動(dòng)和旋轉(zhuǎn)跟不上電場變化速度,能量損耗增加。但 PTFE 化學(xué)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定,即使高頻下 Df 值也能保持較低。
(二)普通 FR - 4 板材
- Dk 變化:在低頻下(如 1MHz)Dk 值約為 4.7,隨著頻率上升,Dk 值逐漸降低,在 1GHz 頻率下,Dk 值約為 4.19,且在 1GHz 以上頻率,Dk 值變化趨勢趨于平緩,變化幅度較小。
- Df 變化:Df 值隨頻率增加顯著上升,特別是在高頻段,因材料內(nèi)部極化效應(yīng)跟不上電場變化,能量損耗增加,導(dǎo)致 Df 值增大。
(三)具有高速和高頻特性的襯底材料
- Dk 變化:在 1MHz 到 1GHz 頻率范圍內(nèi),Dk 值變化較小,通常在 0.02 范圍內(nèi),表現(xiàn)出較好的穩(wěn)定性。
- Df 變化:Df 值隨頻率變化較小,且通常具有較低的 Df 值,這使得材料在高頻下仍能保持較低的能量損耗。
三、影響板材介電常數(shù)的因素及選擇建議
(一)影響因素
- 材料組成與結(jié)構(gòu):不同材料的分子結(jié)構(gòu)和組成成分決定了其介電常數(shù)。例如,PTFE 分子結(jié)構(gòu)對(duì)稱,極化效應(yīng)弱,因此具有低介電常數(shù);而陶瓷材料因極化效應(yīng)強(qiáng),通常具有高介電常數(shù)。
- 頻率:一般情況下,隨著頻率增加,材料的介電常數(shù)會(huì)有所變化。對(duì)于大多數(shù)材料,高頻下介電常數(shù)會(huì)降低,因?yàn)闃O化過程跟不上電場變化速度。
- 溫度和濕度:溫度升高會(huì)影響材料的分子運(yùn)動(dòng)和極化效應(yīng),進(jìn)而改變介電常數(shù)。濕度變化也會(huì)對(duì)吸濕性材料的介電常數(shù)產(chǎn)生影響。
(二)選擇建議
- 高頻應(yīng)用優(yōu)先選 PTFE 及其改性材料:如 Rogers RO4000 系列,其低介電常數(shù)和穩(wěn)定性能滿足高頻信號(hào)傳輸需求。
- 高功率密度場景選陶瓷基材:其高介電常數(shù)和高熱導(dǎo)率適合高功率應(yīng)用。
- 平衡性能與成本選改性環(huán)氧樹脂:如 Nelco N4000 系列,適合中高頻消費(fèi)類電子。
- 毫米波頻段選 Rogers 5880 或 Taconic TLY-5:兩者介電常數(shù)低且穩(wěn)定,但 Rogers 5880 在高頻性能上更具優(yōu)勢。
四、實(shí)際應(yīng)用案例
(一)5G 基站天線板
Rogers RO4350B 因其適中的介電常數(shù)(3.48)、低介質(zhì)損耗(0.0037)和良好的加工性能,廣泛應(yīng)用于 5G 基站天線板。它在高頻下能保持良好的信號(hào)完整性,滿足 5G 通信對(duì)信號(hào)傳輸質(zhì)量的嚴(yán)格要求。
(二)衛(wèi)星通信系統(tǒng)
在某衛(wèi)星通信系統(tǒng)中,選用了 Rogers RO3006 基板。其介電常數(shù)為 6.5(z 軸設(shè)計(jì)),SPDR Dk 值為 7.2(x - y 平面),介電損耗極低,可滿足衛(wèi)星通信系統(tǒng)對(duì)信號(hào)穩(wěn)定性和可靠性的高要求。同時(shí),其在高頻多層板設(shè)計(jì)中表現(xiàn)出色,有助于實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星通信設(shè)備的小型化和高性能化。
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