技术文章： PCB基板介电常数的温度系数
1、介电常数的温度系数
对于 PCB 基板的介电常数，并不是介电常数越大或者越小越好。在很多应用场景中，需要特定的介电常数数值。更关键的要求，往往是介电常数的稳定性。介电常数的稳定性体现在两个大的方面：其一是材料自身的稳定性，包括不同批次材料与同批次材料不同位置处介电常数的一致性；其二是介电常数的环境稳定性。
具体地，材料介电常数的环境稳定性主要体现在：
- 温度稳定性：介电常数随温度变化的程度，高温或低温下是否显著波动。
- 频率稳定性：在不同频率（尤其是高频段，如 GHz 级别）下介电常数的一致性。
- 湿度稳定性：在潮湿环境中，材料吸水后介电常数的变化。
- 时间稳定性：长期使用或老化过程中介电常数的漂移。
当然，实际的环境稳定性会比上述情况更加复杂，例如温湿度循环，凝露，盐雾环境，乃至长期射线辐照都会造成材料介电常数的波动。
PCB 基板材料介电常数的温度系数（TcDk，或者叫做介电常数的温漂、介电常数的温度依赖性等）表示介电常数随温度变化的敏感程度，通常以单位温度变化（如 ppm/℃）引起的介电常数变化量来量化。如果介电常数随温度变化而升高，则该系数为正；反之，则为负。
例如，某 Dk = 4.0 材料在 - 40—200℃的 TCDk 为 + 50 ppm/℃，意味着在这个温度范围内，环境温度每升高 1℃，材料的介电常数增加 0.0002。
2、介电常数的温度系数对于高频线路板的意义
线路板的介电常数温度系数对于高频电路（如 5G 通信、毫米波雷达、高速数字信号）非常重要，主要体现在以下方面：
系统的稳定性与可靠性：材料介电常数的温度系数对于系统可靠性的影响，可以从多个角度理解。首先是信号完整性。射频信号的相位和传播速度与介电常数直接相关。温度变化导致 Dk 漂移时，信号时延和相位特性可能失配，引起时序误差或信号畸变。其次是阻抗匹配方面。Dk 随温度变化会导致阻抗偏移，引发信号反射和插入损耗增加。例如，无线基站的功率放大器需要阻抗匹配来实现最佳的增益、输出功率和功率效率。最后是谐振电路稳定性方面。例如，滤波器、天线等谐振器件的性能与 Dk 密切相关。温漂可能使谐振频率偏移，导致系统频偏或效率下降。 又如，无源滤波器会因为 DK 的温漂而出现通带或阻带的频移。
因此，在宽温环境（如汽车电子、航空航天）中，高 TCDk 材料会加剧电路性能波动，需通过低 TCDk 材料确保系统稳定。理想线路板材料的 TcDk 值应当为 0ppm/℃；然而，在现实世界中，TcDk 值小于 50ppm/℃为行业里承认的一个标准。 例如湍流电子 TL350 碳氢基板，其 TCDk = +45 ppm/℃，就是一个典型的低 TcDk 基板。
基于应用温度下的电路设计：当产品的温度性能很关键的时候，一种设计思路是，根据产品长期使用温度下材料的介电常数来进行设计。这需要射频工程师留意选择特定的基板材料并查找其数据表。通常，数据表里的介电常数是室温下的介电常数；因此需要结合 TcDK 来大致计算使用温度下的介电常数。例如，一些高频下运行的高功率放大器，其自身发热相当可观，其长期运行下的温度往往远高于室温。在设计阶段提前考虑基板材料的温度系数，能够使测试、打样过程更为顺利。
3、基板材料TcDK的测试
测试介电常数温度系数需结合温度控制装置与行业标准的DK测量方法，通过不同温度下的介电常数变化数据计算温度系数。我们之前文章中提到过，行业标准的DK测试方法有很多，例如电容法、传输线法、谐振腔法、自由空间法等。具体而言，通过精确控制测试过程中的材料及环境温度，即可获取不同温度条件下的 DK 值。
在湍流电子的实验室里，测试介电常数温度系数采用的技术基于IPC-TM-6502.5.5.5c中规定的带状线测试方法。我们使用自主专利的具备恒温循环液体的温度控制系统来控制样品和夹具环境温度，使用热电偶测试阵列实时监测样品及周边不同位置温度。结合带状线谐振器测试方法，等到夹具和样品以及周围环境达到设定温度的热平衡点后，测试样品处在不同环境温度下的介电常数，做出介电常数-温度变化曲线。
计算介电常数温度系数的公式如下：
下图为我司 TL 系列产品介电常数温度系数的测试曲线图，该图表基于在 -30℃到 150℃温度区间内的实测数据绘制，材料温度系数为-16ppm/℃，介电常数随温度变化较小，具有较低的温度敏感性。
4、材料设计对基材介电常数温度系数的调控
首先，不同树脂的极性基团含量和分子链刚性直接影响介电常数温度敏感性。以环氧树脂和碳氢树脂、聚苯醚（PPO）为例，环氧树脂属于高极性树脂，其温漂较大，约为 200 - 300 ppm/℃；而碳氢树脂或聚苯醚的温漂更低，通常小于 50 ppm/℃。聚四氟乙烯因其非极性和稳定结构，温度系数极小。
其次，复合材料中的填料种类、增强材料种类也会直接影响复合材料的介电常数温度系数。像不同类型陶瓷的介电常数温度系数差异极大，即使是同类型陶瓷，其具体的粒径形貌、尺寸、掺杂、晶相结构等方面，也都会对介电常数温度系数产生影响。一种常用的方法是，通过多种不同温度系数陶瓷的混合，来获得总体温度系数较低的复合材料。
最后，复合材料的界面特性同样会对 TcDK 造成影响。从原理上，可以理解为树脂与无机陶瓷填料之间结合能力的强弱。在行业实践中，通常可以通过化学改性修饰、物理包覆、优化加工工艺等方式来进行调整。
综上所述，各类因素对介电常数温度系数的影响较为复杂。对于射频工程师而言，需要非常小心，不能提前假定来自同一制造商或同一类型树脂产品的两种材料会具有相同或相近的 TCDk。例如，同样是 PTFE 树脂基基板，不同型号材料可能具有完全不同的 TCDk 值。
而对于材料工程师来说，在可行的工艺路线与成本限制下，提供介电常数温度系数更小的基材，是高频材料研发面临的一大挑战。这也正是当前微波陶瓷材料的一个重要研究方向。
5、应用实例
TLF 系列：TLF系列是采用特种陶瓷填充 PTFE 无编织玻璃纤维增强的复合高频材料，通过陶瓷和纤维在 PTFE 树脂内的均匀填充，Z 轴热膨胀系数更低，尺寸稳定性更优，介电常数温漂系数较低。例如，TLF300基板的TcDK = -5 ppm/℃（-20℃~150℃）。
TL 系列碳氢覆铜板：例如 TL255（介电常数 2.55）、TL300（介电常数 3.00）、TL338（介电常数 3.38）、TL350（介电常数 3.50）等。这些材料为碳氢树脂 - 陶瓷 - 玻纤复合材料热固型材料，具有高 Tg（玻璃态转化温度）、Td（热分解温度）和低 CTE（热膨胀系数）特点，温漂系数都普遍小于50 ppm/℃。
TLX 系列：随机玻纤增强的碳氢树脂 - 陶瓷复合型超高介电常数高频覆铜板，为各向同性的微波材料，X/Y 轴 CTE 与 Z 轴 CTE 相近，介电常数与损耗在各个方向上也极为接近，能更好地适应温度变化，减少因热膨胀系数差异导致的应力和变形。但对于超高介电常数基板（DK>12）,其介电常数温度系数高于TL系列板材；建议在板材设计时尽量的考虑其温度特性。