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    5G采用的PCB板电镀过孔性能评估

    笔者:亚洲杯 时光:2019-07-13 10:06

    5G复线网络因覆盖了较宽的频带,对工作于毫米波频率下5G电路的共鸣板材料提出了突出的要求。本文探讨了用于PCB资料顶层铜箔与底层铜箔之间传输信号的金属化过孔内壁的外表粗糙度对材料的末尾射频性能的影响。

     
     

     

    先后五代全线网络被誉为是贯彻现代通信的最重要的艺术成就之一,5G艺术既使用低于6GHz的信号频率,也有用于短距离回传,很快数据链路的短波频率。在如此宽广频率范围内的邮路需要采取特别的共鸣板材料,而罗杰斯公司的RO4730G3™电路板材料就变成广大电路设计工程师的挑选,因为他具有从射频到毫米波频率的脍炙人口性能。然而,这种层压板材料与俗的邮路材料的存在一番差别是材料使用了中空微球作为介质的填充材料,其一差异引起了有的电路设计者的焦虑。

     

    出于微球的生活,电路加工结构的奇景——例如从一个导电层到另一番导电层的金属化过孔(PTH)——看上去比没有采用这种独特介质填料的人情的共鸣板材料,制造形成的金属化过孔要更加粗糙。可能看起来是这样的,又或者是有什么其他的焦虑,毕竟因为采用中空微球填料的共鸣板在做金属化过孔时孔壁非常之粗糙。但一系列的研讨表明,不论是在射频频率下,还是对5G复线网络的短波频率下,中空微球填料对金属化过孔之影响纯粹是外部外观上的,他并不会影响电路的特性或金属化过孔之可靠性。

     

    较之不同之金属化过孔

    漫天电路金属化过孔之孔壁表面的纹理均会有不同之轻微区别,即使在比较同一电路板的孔壁表面的粗糙度时也是如此。出于钻孔过程涉及多个因素,五金化过孔之孔壁表面会因孔而异。在具有微球填料的史料中,钻头可能会影响微球填料,也可能不会,据此导致了差距的产生。顶钻头撞击并破碎空心球体时,该过孔之铜材镀层将沿着破碎的球体的大概生长,孔壁表面将不再光滑和坦荡。贪图1表现了电路线路板中微球填料的生活如何影响该电路材料形成金属化过孔时导致的外表粗糙度的增多。咱们很自然地会质疑,与金属化过孔更光滑表面的人情电路材料相比,这种粗糙度是否会导致电路的煤气性能或可靠性方面产生不良影响。

     

    随着5G复线网络中宽频率范围之高频电路材料的要求日益增强,刺探具有空心微球填料的共鸣板材料中金属化过孔表面粗糙度是否对电路性能有影响是异样有含义之,因为传统的共鸣板材料中没有这种填料。穿越一系列的研讨,较之了来自罗杰斯公司的具有玻璃增强和微球填料的20.7mil厚的RO4730G3™线路板材料和没有玻璃增强、具有更小且非空心填料的20mil厚的RO3003G2资料上过孔孔壁之不同是否会带来影响。为了测试孔壁表面粗糙度是否有影响,咱们开发了累累不同之统考电路来比较线路板上的金属化过孔在5G宽大的效率范围之状况。

     

    高考电路都基于微带传输线结构,在电路中间有一番通孔,用作从介质基板材料的屋顶铜层到底部铜层的导体和信号过渡。高考电路的长短基本都为2英寸左右。咱们也采用了另外的局部高频传输线技术作为参考,来评估金属化过孔孔壁表面粗糙度是否存在影响,包括没有信号通孔之8英寸和2英寸长的微带电路,以及8英寸和2英寸长的没有交通孔之接地共面波导(GCPW)电路。为了确保测量时的周期性,高考使用了相同的两个2.4米的同轴连接器用于所有电路的统考。且测试连接器总是以同样的艺术连接到VNA的统考端口,以保持相位一致性。

     

    习惯于研究如图1所示的印记电路板(PCB)显微图像的规划人员可能会担心金属化过孔之粗糙度会带来影响,尤其是在5G电路的高频频率下。一般来说,对于不利用微球填充的人情高频电路材料来说,粗糙的孔壁表面可能意味着在制造过程中出现了一点问题,并可能会影响到过孔之可靠性。但对于空心微球填充的邮路材料,形成表面粗糙的金属化过孔是正常的,这并不代表她性质差。为了证明这种电路材料中的粗糙的金属化过孔不会影响过孔可靠性和电性能,咱们将新材料(较粗糙的金属化过孔)与更传统的邮路材料(更光滑的金属化过孔)拓展研讨比较,来消除将这种材料用于5G复线网络电路设计和另外任何利用到毫米波频率范围之邮路产生之其它疑虑。

    贪图1. 与没有微球填料的邮路材料相比,利用空心微球填料的RO4730G3电路材料可能形成粗糙孔壁表面的金属化过孔。

     

    咱们在评估金属化过孔及其孔壁表面对高频电路性能的影响之前,对RO4730G3电路板及其微球填料进行了广大的评分,以丰富了解它们在不同工作原则下的性状。拓展了包括10层高加速热冲击(HATS)/ 五金化过孔(PTH)可靠性、二者PTH可靠性、二者PTH-PTH导电阳极丝(CAF)雷达、平面-平面CAF雷达、MOT和外部–外部贴装(SMT)高考、绝缘电阻,五金化过孔质量等系列的史料测试研究。漫天测试表明,资料及其微球填料在同行业标准测试条件下毫无问题地通过了那些测试。有关这些研究测试的更多信息,请访问罗杰斯公司官网的艺术支持中心http://www.rogerscorp.com/techub。 本文的重要是介绍在射频、微波和毫米波频率下利用该材料是否可能产生之题材。

     

    事实上,在对这种线路板材料及其微球填料进行的多项研究测试中,其中我们采用两种具有不同金属化过孔壁特征的史料,研讨金属化过孔壁表面粗糙度变化对RF性能带来的各族影响对比。研讨测试基于一种新鲜设计的微带传输线电路,离别在高层和底层都有微带线电路,中间介质是介质材料,穿越金属化过孔实现顶层到底层的微带线的连片。该署测试旨在为5G采用提供特别有含义之多寡参考,故而测试电路在100 MHz至40 GHz范围内都具有优秀的射频性能。

     

    在该研究测试中应用的两种资料的介电常数(Dk,或εr)都特别接近,她值都在3附近。两种资料也适用具有相同厚度的史料,平均为20mil。彼此之间的重点区别是其中一个可以制作孔壁表面光滑的金属化过孔,而另一番制作得到的金属化过孔壁表面较为粗糙。可以制作形成光滑金属化过孔壁表面的史料是罗杰斯公司的RO3003G2™线路板材料,而具有玻璃增强材料和空心微球填料的RO4730G3™线路板制作得到的金属化过孔壁表面较为粗糙。

     

    电路金属化过孔壁表面的纹理差别通常被认为是电路制造的题材,而不是材料的题材。但是,有的材料特性可以行使金属化过孔壁表面得到优化,包括电路材料填料类型、石材尺寸、玻璃增强和树脂类型等。表现RO4730G3™线路板及其空心微球填料(粗糙的金属化过孔壁表面),较之的RO3003G2™线路板材料是没有玻璃增强材料的,且填料颗粒也特别之小。假设二者均采取最佳PCB加工方法,后者将会有突出平滑的金属化过孔壁表面。如图2所示,是RO3003G2™线路板可形成的独特光滑的金属化过孔孔壁。

    贪图2.显微图像显示了在20mil厚的RO3003G2电路材料中形成的外表光滑的金属化过孔孔壁。

     

     

     

    对于相同厚度的这两个电路材料,贪图1和2官方所示的两种资料的金属化过孔之外表粗糙度的差别是异样明显的。考察两个图可能会产生这样一个问题,即金属化过孔之较高表面粗糙度是否意味着其在射频性能方面存在什么问题?对于测试电路,微带传输线电路是一种有效的主意来比较光滑和粗糙的金属化过孔壁表面对射频性能的影响,因为与其他高频传输线结构相比,微带线的加工制造过程中的一些变化对射频性能的影响较小。

     

    为了使40GHz副的不同电路材料中的金属化过孔提供有含义之结果,咱们投入了大量之生气来优化这些微带电路。其中之一是下射频测试连接器向PCB微带线的信号过渡就是一番大的规划挑战。一般说来情况下,在20mil厚的共鸣板上的微带传输线的信号过渡上很难得到回波较好的性状,特别是频率在25GHz上述的交通线。对于宽带微带电路,小于15dB或更好的回波损耗通常被认为是可以吸收的。

     

    交通孔过渡是另一番重要的要求考虑的要素,特别是在毫米波频率下较难实现主业某一层到另一线路层的低损耗过渡。一般来说,在20mil厚电路材料上很难实现高于20GHz的微带线通孔过渡的优异性能。但是考虑到上述困难,基金研究之微带先测试电路,她设计的对象是频率达到40GHz时也会得到可观的功力,如图3所示。

     

    贪图3. 该署电路是用于评估金属化过孔孔壁表面粗糙度对高频下RF性能的影响之邮路设计,左图是专业的微带传输线,两侧是具有金属化过孔之微带线电路

     

     

     

    贪图3左侧所示的“专业”微带线电路是通过接地共面波导(GCPW)布局来促成信号过渡转换的微带电路。电路的关键性由微带传输线构成,GCPW布局在电路的后面用于同轴(2.4米)传感器到微带的联网转换(Southwest  Microwave合作社的生肖印#1492-04A-5)。贪图3两侧电路就是用于本研究之统考电路的高层和底层电路。它们是松耦合的接地共面波导,中间是金属化过孔,提供从顶层到底层电路的联网连接。高考电路的长短为2英寸,松耦合的接地共面波导传输线电路将具有与微带传输线电路非常相似之射频性能。松耦合在较高频率下具有优秀的特性,突出方便40GHz副的统考。
     

    贪图4. 这是网络分析仪测试得到的不同电路且具有不同壁表面纹理的金属化过孔之S数的演示,离别包括频域和时域。

     

     

     

    贪图4是增量网络分析仪测量的频域和时域之结果图。贪图右下角的回波损耗(S11和S22)的两个标记分别表示了不同频率下的回波损耗值。标志2位于40.7GHz处,是该测试电路具有优秀回波损耗的最高频率。反射波S22的对抗显示在图右上角,反射波S11的对抗显示在图左下角。如S11的标志所示,在交通孔转换中的阻抗值,标志1,2和3,电路具有大约48Ω的对抗。在交通孔过渡区域中可观测到较小的对抗变化,阻抗变化小于2Ω,对电路的RF性能几乎没有影响。副这些测试结果,电路可把认为从顶层到底层信号具有的优异的通行孔过渡,同时,他还具有到40GHz的优异插入损耗性能(如图左上角所示)。

     

    在同一块大的PCB板上加工制作了累累相同设计的电路,以便更好地懂得由正常的史料变化以及PCB制造工艺引起的变动进而导致射频性能的变动。咱们同时加工了两块大的PCB板(板1和板2),地方包含多个多个测试电路,且这两个大板来自于相同且更大面积的同一块电路材料。

     

    更大大板的史料原始尺寸为24×18英寸,把切割成两个尺寸均为12×18英寸的板子,因来自同一个大板因此两个12×18的邮路上得以保持材料的周期性。在选择的两种20mil RO3003G2和20.7mil RO4730G3资料的微带线测试电路的制造中,使用了总体相同的邮路加工制作工艺和流程以减少加工带来的影响。

     

    高考结果的对待

    穿越对电路材料的研讨测试,得到了大量之测试数据,包括了每个测试电路的:插入损耗,回波损耗,阻抗,起延迟和相位角(如图4所示)等。交通测量被用作确定金属化过孔对电路性能的影响之主意。同时也测量得到了电路的对抗,但并不把认为阻抗是反映金属化过孔对射频性能影响之极品指标。微带线电路(或松散耦合的接地共面波导)的对抗依次受介质厚度、导体宽度、铜厚变化和介质Dk等数的影响。与金属化过孔孔壁表面的带来的影响相比,五金化过孔过渡区域中的阻抗将受这些变量的影响更大。鉴于上述原因,虽然收集到了抵抗数据,但对抗并未用于金属化过孔孔壁表面对射频性能的影响之论断。

     

     
     
     
     
     
     

     

    虽然金属化过孔孔壁研究中收集的多寡很宽泛,但在此地依旧可以分享一些结果。例如,贪图5表现了在同一块板上制作的规划相同的六个不同电路的多寡,并与表现参考的没有交通孔过渡的微带传输线进行比较。贪图5还可以见到在第二块板上制作的规划相同的六个不同电路的多寡(这两个电路板最初是下同一块24×18的史料上切割得到的)。高考结果是基于20mil RO3003G2,她具有平滑金属化过孔孔壁表面。

     

    贪图5. S21进行的相位角测量是含有金属化过孔之2英寸长的微带传输线电路。线路板材料为厚度20mil的RO3003G2,她可得到非常光滑的金属化过孔壁表面。

     

     

     

    贪图5中的电路ID可以表现电路来自哪个12×18英寸的大板,以及该板上的电路ID编号。例如,P1 C4来自板1,电路编号为4号。电路彼此之间互相远离并均匀地分别在12×18英寸的板上,以保持先进性。一点变化是可以事先预想到的,因为它们对相位角的差别非常敏感。一点变化是出于PCB制造过程而造成的,而不是金属化过孔壁粗糙度的原由,包括导体宽度之变动,镀铜厚度的变动和钻孔质量的变动。另外,五金化过孔手下的缝缝由于PCB的正规制造公差也会出现一些变化。同样,每个板上的轻微材料变化,如Dk值的轻微变化,也可能导致相位的变动。考虑到图5所示的统考值,在39 GHz时相位数据的可重复性标准差小于±1.2度,这是异样好的。

     
     
     
     

     

    贪图6.较之了在三个至关重要的5G频率下,不同线路板上制作的微带传输线电路的相位角差异统计情况。 左侧的多寡是光滑的金属化过孔孔壁表面电路的统考结果,而右边的多寡是粗糙的金属化过孔孔壁表面的统考结果。

     

     

     

    如前所述,在研讨过程中,咱们都尽量减少材料的变动带来的影响,如板1和2都取自同一个大板确保材料Dk差异最小。故而相位角的变动和出现的其它差异主要是受到电路制造过程的影响。顶对同一块板的邮路进行结果的剖析时,这会儿相位角的差别来自于PCB加工制造和资料变化的影响都最小,因为同一块板是完整同时开展的加工。正因为如此,在同一块板上研究多个电路可以很好地询问微带线电路的金属化过孔质量。PCB制造过程也可能导致比预想更为粗糙的金属化过孔孔壁表面。如图6所示,每一块板上的S21进行相角上都有一定的变动,但当比较两种不同材料上的邮路相位变化时,这种转变实际并不显著。

     

    贪图7.RO4730G3资料的辅助顶层到底层线路的金属化过孔孔壁(较为粗糙)的外表特征和3个毫米波频率下相位测量结果。

     

     

     

    众目睽睽,穿越观测显微照片,用于顶层线路与底层线路相联接的金属化过孔之外表壁可能会呈现出很大的不同。例如,贪图2表现的ID为P1/C1是在20mil厚的RO3003G2资料上制作的邮路金属化过孔,他就有突出光滑的金属化过孔孔壁。贪图7 ID为P2/C6的邮路金属化过孔之奇景,是在厚度为20.7mil的RO4730G3线路板材料上的过孔,这种材料上的金属化过孔壁表面相对就要粗糙一些。仅从外观上看,可能会有一部分担心是否这种金属化过孔孔壁表面粗糙度会对射频性能带来影响。但正如上述几项研究所表明的那样,粗糙和光滑的金属化过孔侧壁之间的差别仅仅是外部的,至少对于在40 GHz副的那些测试电路上,总体不用担心它们对射频/微波/毫米波性能的会带来性能的影响。

     

    要求说明的是,本文所列的消息只是对平滑金属化过孔和粗糙的金属化过孔之邮路材料研究中收集的多寡的一小部分。研讨之目的是为了证明金属化过孔壁表面粗糙度对射频及毫米波频率性能的影响很小。如需获得更多相关的消息,穿越与罗杰斯公司的地面代表联系。

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