---之PCB電路材料的考慮

摘要

毫米波雷達(dá)傳感器在眾多傳感器中具有全天候工作的獨(dú)特特點(diǎn)，使其在成為汽車主動安全系統(tǒng)（ADAS）中的關(guān)鍵核心部件。毫米波雷達(dá)傳感器的性能受多個(gè)因素的影響，而PCB電路材料就是影響傳感器電路性能的關(guān)鍵因素之一。為確保毫米波傳感器具有較高的穩(wěn)定性和性能一致性，就需要考慮PCB電路材料中的諸多關(guān)鍵參數(shù)。本文就PCB電路材料中影響汽車毫米波雷達(dá)傳感器穩(wěn)定性和一致性的多個(gè)關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行了討論，分析了這些參數(shù)如何影響傳感器的性能，從而更好的選擇適合于汽車毫米波雷達(dá)的電路材料。

1. ADAS系統(tǒng)中的毫米波雷達(dá)

當(dāng)前，汽車自動駕駛已成為全球業(yè)界的一個(gè)熱門話題。各大汽車制造商及其供應(yīng)商、科技巨頭公司等紛紛注目并摩拳擦掌進(jìn)入輔助及自動駕駛汽車市場。各國政府也對自動駕駛汽車陸續(xù)出臺了相應(yīng)的法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)，以促進(jìn)其快速健康發(fā)展。2017年7月，全新奧迪A8在巴塞羅那的首發(fā)，是全球首款具備了L3級自動駕駛功能的量產(chǎn)車型。

圖1、全球汽車出貨量的自動化程度趨勢

在自動駕駛汽車的不斷發(fā)展過程中，汽車的安全性是一切發(fā)展的前提，是真正實(shí)現(xiàn)汽車自動駕駛的關(guān)鍵。各種傳感器需要協(xié)同工作來實(shí)現(xiàn)車輛對周圍環(huán)境高精度低延時(shí)的監(jiān)控，而毫米波雷達(dá)憑借其可靠的表現(xiàn)(如應(yīng)對惡劣天氣條件)使能汽車先進(jìn)駕駛輔助系統(tǒng)(ADAS)的各種功能。這些雷達(dá)傳感器幾乎是所有現(xiàn)在正在使用的汽車先進(jìn)駕駛輔助系統(tǒng)技術(shù)的基礎(chǔ)。

汽車?yán)走_(dá)傳感器主要有短距離和中遠(yuǎn)距離雷達(dá)傳感器，它們的工作頻率分別是24GHz和77GHz/79GHz。24GHz雷達(dá)傳感器的探測距離約50m左右，距離相對較短，主要用于盲點(diǎn)監(jiān)測（BSD），變道輔助（LCA）等。77GHz雷達(dá)傳感器的的探測距離更長，可達(dá)到160m到230m。相比于24GHz，77GHz雷達(dá)傳感器的頻率更高、波長變短、系統(tǒng)帶寬更寬，從而提高了距離和速度測量的精度和準(zhǔn)確度，主要用于自動緊急制動（AEB）、汽車自適應(yīng)巡航控制（ACC）和前向防撞預(yù)警（FCW）等。77GHz汽車?yán)走_(dá)的應(yīng)用對應(yīng)于汽車自動化程度的高級階段，隨著自動駕駛汽車的發(fā)展，77GHz汽車?yán)走_(dá)傳感器的需求和應(yīng)用逐漸呈上升趨勢。

圖2、24GHz頻段與77GHz頻段汽車?yán)走_(dá)傳感器的趨勢

對于諸如工作在77GHz/79GHz頻段的毫米波汽車?yán)走_(dá)傳感器，由于其信號的波長很短，其電路性能和一致性非常容易受到多方面因素的影響。如何考慮和減小這些因素帶來的影響，確保雷達(dá)傳感器的性能具有較好的一致性就變得非常重要。對雷達(dá)傳感器的PCB電路來講，就需要理解并考慮PCB電路材料的諸多參數(shù)以及PCB加工等帶來的對一致性的影響，從而更好的進(jìn)行電路材料的選擇和電路設(shè)計(jì)。

2. 電路材料的考慮

汽車?yán)走_(dá)傳感器在毫米波頻段的應(yīng)用，對于電路設(shè)計(jì)工程師來說，如何選擇正確的PCB材料是設(shè)計(jì)電路一開始就要面臨的挑戰(zhàn)。毫米波頻段下由于其波長較小，電路極易容易發(fā)生色散和產(chǎn)生高次模，因此通常考慮選擇較薄的PCB電路材料；而電路材料的介電常數(shù)和損耗隨頻率的增加也變化非常明顯，因此需要選擇在高頻時(shí)具有穩(wěn)定介電常數(shù)和具有極低損耗的電路材料。而介電常數(shù)值的值的選擇不宜較大，較大的介電常數(shù)會使設(shè)計(jì)的導(dǎo)體線寬較窄，不但增加了電路的導(dǎo)體損耗，而且增加了加工難度。

圖3、普通介質(zhì)材料的Dk/Df隨頻率的變化特性

以上的幾個(gè)考慮因素僅僅是毫米波電路設(shè)計(jì)的開始，這些因素的考慮可以使電路能夠具有較好的性能特性。然而要使成多個(gè)相同的電路都具有一致的和穩(wěn)定的電路性能，還需要考慮材料的其他多個(gè)因素。

2.1 介電常數(shù)一致性

介電常數(shù)（Dk）是電路材料最重要的參數(shù)之一，也是電路設(shè)計(jì)者的一個(gè)設(shè)計(jì)出發(fā)點(diǎn)。在汽車?yán)走_(dá)的陣列天線設(shè)計(jì)中，包括不同類型傳輸線的電路結(jié)構(gòu)尺寸、不同傳輸線的相位差或時(shí)延，以及實(shí)現(xiàn)各單元天線間距控制等都是由材料的介電常數(shù)確定的。同一板內(nèi)的介電常數(shù)的變化會導(dǎo)致汽車?yán)走_(dá)特別是毫米波汽車?yán)走_(dá)的收發(fā)之間存在某一相位差，影響交通中對其他車輛或速度的檢測精度，造成對其定位產(chǎn)生偏差。同時(shí)，材料不同批次的介電常數(shù)的變化更會引起不同毫米波雷達(dá)系統(tǒng)存在差異，影響系統(tǒng)的一致性。

介電常數(shù)（Dk）通常可以分為材料介質(zhì)的Dk和實(shí)際電路所呈現(xiàn)的介電常數(shù)。通常我們把材料介質(zhì)的介電常數(shù)稱為過程Dk，而實(shí)際電路所呈現(xiàn)的介電常數(shù)稱之為設(shè)計(jì)Dk。選擇過程Dk容差控制較小的電路材料有利于減小系統(tǒng)性能的差異和變化。然而，對于系統(tǒng)的性能一致性，電路所呈現(xiàn)的總的介電常數(shù)（設(shè)計(jì)Dk）更應(yīng)該值得考慮。

2.2 銅箔粗糙度

眾所周知，材料所使用銅箔的表面粗糙度對會對電路的介電常數(shù)產(chǎn)生影響。由于銅箔表面粗糙度的存在，使得電磁波在電路中的傳播速度變慢，相對于非常光滑的銅箔表面，其形成了慢波效應(yīng)，從而使得電路所呈現(xiàn)的介電常數(shù)增加。越粗糙的銅箔表面使電路所呈現(xiàn)出的介電常數(shù)越大，而越光滑的銅箔表面的電路介電常數(shù)越小。同時(shí)，不同厚度的材料，即使選用相同銅箔，越薄的材料上銅箔表面粗糙度對電路介電常數(shù)的影響越大，而越厚的材料其影響越小。圖4就顯示了基于相同銅箔下的RO3003^TM材料，不同材料厚度所呈現(xiàn)出的不同的電路介電常數(shù)（設(shè)計(jì)Dk）值。

圖4、相同銅箔材料不同厚度的電路介電常數(shù)（設(shè)計(jì)Dk）

大多數(shù)的PCB基材都會壓合幾種不同形式的銅箔，如標(biāo)準(zhǔn)電解銅（Electro Deposited copper），反轉(zhuǎn)銅（Reverse Treated copper）或壓延銅（Rolled copper）。標(biāo)準(zhǔn)ED銅是通過電解的方式，在鈦鼓上逐漸電解沉積成不同厚度的銅箔，通常與鈦鼓接觸面較為光滑，而電解液面較為粗糙。RT銅箔也屬于電解銅，只是將與鈦鼓面相接觸銅箔表面經(jīng)過處理后與基材壓合形成。壓延銅箔是通過輥軋機(jī)碾壓銅塊而得，連續(xù)的輥軸碾壓可以得到厚度一致性很好且表面光滑的銅箔。

由于現(xiàn)實(shí)的銅箔生產(chǎn)工藝，銅箔的表面粗糙度值不可能固定不變的，銅箔表面形態(tài)總是以不同的高低起伏展現(xiàn)，如圖5所示。因此對于任何銅箔類型，銅箔的粗糙度都存在一定的變化范圍。對于射頻微波應(yīng)用，Rq或者RMS（均方根）值通常被認(rèn)為較合理的銅箔粗糙度表征方式。羅杰斯公司的RO3003^TM材料是被廣泛應(yīng)用于77GHz汽車毫米波雷達(dá)的電路材料，對于RO3003^TM材料的ED銅箔，其典型的銅箔表面粗糙度的RMS值是 2.0um，銅箔粗糙度變化的典型值約為0.25um。越光滑的銅箔其粗糙度變化的值也就越小。

圖5、銅箔表面形態(tài)圖及不同銅箔粗糙度容差

實(shí)際應(yīng)用中電路所呈現(xiàn)出的Dk值（設(shè)計(jì)Dk）不僅需要考慮材料過程Dk的變化，同時(shí)需要考慮銅箔粗糙度變化帶來的影響。而常常被大多數(shù)工程師所忽略的電路加工過程也會造成設(shè)計(jì)Dk的變化。通常，設(shè)計(jì)工程師為了更為準(zhǔn)確的設(shè)計(jì)電路而想知道設(shè)計(jì)Dk值的變化大小，最好的方法就是選取多個(gè)不同批次材料，制作并測試多個(gè)相同電路來評估其變化。為了更好的說明這種變化情況，仍然選取了5mil RO3003^TM材料，其時(shí)間跨度達(dá)4年的多個(gè)批次制作成50Ω微帶線測試電路的設(shè)計(jì)Dk。從圖6可以看到，使用銅箔粗糙度RMS值為2.0um的ED銅箔的5mil RO3003^TM材料，其在77GHz時(shí)電路的設(shè)計(jì)Dk的典型值是3.16，變化約0.126；而使用光滑的壓延銅的5mil RO3003^TM材料在77GHz是電路的設(shè)計(jì)Dk典型值是3.055，變化約0.096。這也進(jìn)一步證實(shí)了，材料過程Dk的容差越小，所使用銅箔的表面越光滑，其最后成品電路的設(shè)計(jì)Dk值變化越小，電路性能一致性也越好。

圖6、厚度5mil RO3003^TM材料不同銅箔下電路Dk值的變化

2.3 介電常數(shù)隨溫度變化（TCDk）

電路材料的介電常數(shù)會隨溫度變化而發(fā)生變化，這種隨溫度變化的參數(shù)有助于工程師了解電路材料可能會發(fā)生的性能上的改變。通常把材料介電常數(shù)隨溫度的變化定義為TCDk，其變化越小表示材料（在溫度上）性能越穩(wěn)定。理想電路材料的TCDk值，即使溫度發(fā)生變化也會保持固定的Dk值，其TCDk的值為0ppm/℃。然而，在現(xiàn)實(shí)世界中，Dk值是會隨著電路材料溫度的變化而變化的。只有TCDk值非常低的電路材料才能被認(rèn)為是具有隨溫度穩(wěn)定Dk的材料，通常TCDk的絕對值要小于50ppm/℃。當(dāng)某一應(yīng)用要求電路需要經(jīng)受較大的工作溫度范圍，并且需要始終保持穩(wěn)定的性能時(shí)---如汽車?yán)走_(dá)傳感器的應(yīng)用，它就需要始終保持精確的測量精度，且可能工作于不同的工作溫度下---材料的TCDk參數(shù)就是需要考慮的關(guān)鍵參數(shù)之一。

同一樹脂體系的兩種材料并不會具有相同的TCDk特性，例如，雖然PTFE是性能優(yōu)異、低損耗的高頻電路材料，但是基于PTFE的不同電路材料，它的TCDk特性可能就會有很大差異。一些基于PTFE的電路材料的Dk隨溫度的變化很大，TCDk值達(dá)200ppm/℃甚至更高。同時(shí)，一些基于PTFE的線路板材料可以提供接近理想狀態(tài)的TCDk特性。圖7比較了不同種類的電路材料的TCDk曲線，明顯看到環(huán)氧樹脂體系材料具有非常差的TCDk性能；而某些基于特殊陶瓷填充的PTFE材料，就具有較好的TCDk性能。77GHz汽車毫米波雷達(dá)廣泛使用的RO3003^TM材料的TCDk值是-3ppm/℃。

圖7、不同種類材料的TCDk曲線

通過設(shè)計(jì)一組實(shí)驗(yàn)，比較了高TCDk材料與RO3003^TM材料的不同TCDk值帶來的影響。測試基于設(shè)計(jì)的長度不同的50Ω微帶線電路來觀察設(shè)計(jì)Dk和相位在不同溫度下的變化情況。測試結(jié)果如圖8所示，RO3003^TM材料由于其具有非常小的TCDk值，在77GHz時(shí)其Dk和電路的相位角幾乎沒有任何變化。而高TCDk材料在77GHz時(shí)的Dk變化達(dá)0.031，相位變化達(dá)到17度。當(dāng)使用高TCDk材料的毫米波汽車?yán)走_(dá)傳感器應(yīng)用在不同的溫度環(huán)境時(shí)，如此高的Dk和相位變化就會嚴(yán)重影響系統(tǒng)的一致性。

圖8、實(shí)際電路中RO3003^TM材料與高TCDk材料的性能比較

2.4 材料的吸濕性

汽車?yán)走_(dá)傳感器相對于其他類型傳感器的優(yōu)勢在于可以全天候工作在各種惡劣天氣條件下。因此環(huán)境的變化不僅僅是溫度的變化，還可能工作在不同的濕度環(huán)境中。設(shè)計(jì)工程師在選擇電路材料時(shí)常常忽略了材料的吸濕性，而事實(shí)上材料的吸濕性對于電路的性能和系統(tǒng)的一致性也是至關(guān)重要的。材料較低的吸濕性可以減小電路中介電常數(shù)及損耗的變化，從而使電路保持幾乎相同的電路性能，確保雷達(dá)傳感器的定位不會出現(xiàn)偏差。

羅杰斯的RO3003^TM材料能廣泛應(yīng)用于77GHz汽車毫米波雷達(dá)中，低的吸濕性也是其中的一個(gè)重要原因。這里同樣以5mil RO3003^TM材料為例來比較材料吸濕性對于電路設(shè)計(jì)Dk和損耗的影響。在基于IPC-TM-650 2.6.2.1國際標(biāo)準(zhǔn)測得的RO3003^TM材料的吸濕率僅為0.04%，而所比較的另外一種材料的吸濕率是0.3%。通過長度不同的50Ω微帶線的方式測試電路的介電常數(shù)Dk和損耗，可以看到RO3003^TM材料在70GHz頻率下時(shí)的Dk和損耗分別僅變化0.005和0.13dB/inch；而具有0.3%高吸濕率的材料的電路Dk和損耗變化達(dá)到0.04和0.81dB/inch。如此高的Dk和損耗的變化自然會引起雷達(dá)傳感器性能的不一致性，在實(shí)際應(yīng)用中造成偏差。

圖9、實(shí)際50Ω微帶電路中RO3003^TM材料與高吸水率材料的性能比較

2.5 玻璃布纖維效應(yīng)

在電路材料中通常會添加玻璃布來增加材料的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，這樣有助于提高材料的機(jī)械穩(wěn)定性。但是電路材料中的玻璃布會影響該材料的介電常數(shù)（Dk）隨著位置的變化。這種Dk的變化是由玻璃布特有的物理交織結(jié)構(gòu)造成的，發(fā)生在非常小的區(qū)域且以周期性的方式呈現(xiàn)。也就是說，玻璃布中玻璃纖維編織形的交疊處及小的開口空隙區(qū)域的Dk值會有不同，如圖10示例。通常，玻璃布或玻璃纖維的Dk約為6，而開口空隙區(qū)域的Dk由材料樹脂體系的Dk值決定，比如3。當(dāng)存在兩束玻璃纖維相互交疊時(shí)，此時(shí)的Dk值最大；而開口空隙區(qū)域沒有玻璃纖維的存在，此時(shí)的Dk最小；僅有單束玻璃纖維是Dk值居中。

圖10、玻璃布纖維相互交疊形成的不同Dk值

當(dāng)含有此類玻璃布的材料僅應(yīng)用于較低頻率時(shí)，由于信號波長較長，幾乎對電路性能不會造成影響。而當(dāng)材料應(yīng)用于高頻毫米波頻率時(shí)，電路性能就會受到一定的影響。以介電常數(shù)Dk為3.0、厚度5mil的電路材料為例，當(dāng)材料應(yīng)用于77GHz毫米波電路時(shí)，所設(shè)計(jì)的50歐姆微帶線的寬度是12mil。常見電路材料中大于12mil的玻璃布的交疊與空隙開口是非常常見的。在實(shí)際電路中，如圖12左所示，當(dāng)微帶線分別處于玻璃纖維束或空隙上方時(shí)，由于Dk的不同此時(shí)同一設(shè)計(jì)的不同電路的阻抗就存在一定差異，從而影響電路的一致性；同樣，即使處于圖11右所示情況，Dk也存在周期的變化，導(dǎo)致同一微帶線電路的阻抗也會周期的變化，進(jìn)而影響電路的相位，影響系統(tǒng)的一致性。

圖11、線路經(jīng)過不同區(qū)域的Dk的變化

正因?yàn)椴ＡР紟淼倪@種高頻的玻纖效應(yīng)，為了盡可能減小這種影響，在考慮應(yīng)用于如77GHz汽車毫米波雷達(dá)的材料時(shí)，應(yīng)選擇不含有玻璃布的電路材料。

3. 結(jié)論

自動駕駛汽車將成為汽車行業(yè)未來發(fā)展的重點(diǎn)和方向，而毫米波雷達(dá)傳感器的獨(dú)特優(yōu)勢使其成為自動駕駛汽車不可缺少的部件，且有助于自動駕駛汽車成為可能。PCB電路材料是毫米波雷達(dá)傳感器的基礎(chǔ)，選擇穩(wěn)定介電常數(shù)、低損耗特性的材料是設(shè)計(jì)毫米波雷達(dá)傳感器的出發(fā)點(diǎn)。然而為了使雷達(dá)傳感器具有穩(wěn)定一致的電路性能，材料所使用銅箔類型及銅箔的表面粗糙度、介電常數(shù)隨溫度的變化、材料的吸濕性、以及材料是否含有玻璃布而帶來玻纖效應(yīng)等都需要考慮，從而確保傳感器對物體和速度的精確檢測和定位。

作者：袁署光，高級技術(shù)市場工程師，羅杰斯公司