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毫米波雷达

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评估面向5G应用的PCB线路板电镀通孔性能
2021-01-19
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5G无线网络因遮盖了较宽的频段,对办公于毫米波频率下5G电路的线路板料料提出了特别的要求。本文研究讨论了用于PCB材料顶层铜箔与底层铜箔之间传道输送信号的金属化过孔内壁的外表光洁度对材料的最后射频性能的影响。

第五代无线网络被誉为是成功实现现代通信的最关紧的技术业绩之一,5G技术既运用低于6GHz的信号频率,也有用于短距离回传,高速数值链路的毫米波频率。在这么宽频率范围内的电路需求运用特别的线路板料料,而罗杰斯企业的RO4730G3电路板料料就变成很多电路预设工程师的挑选,由于它具备从射频到毫米波频率的特别好性能。不过,这种层压板料料与传统的电路材料的存在一个区别是材料运用了中空微球作为媒介的补充材料,这个差别引动了一点电路预设者的担忧。

因为微球的存在,电路加工结构的外观——例如从一个导电层到另一个导电层的金属化过孔(PTH)——看起来比没有认为合适而使用这种特别媒介填料的传统的线路板料料,制造形成的金属化过孔要更加不细腻。有可能看起来就是这样,又还是是有啥子其它的担忧,毕竟由于认为合适而使用中空微球填料的线路板在做金属化过孔时孔壁十分的不细腻。但一系列的研讨表明,不管是在射频频率下,仍然对5G无线网络的毫米波频率下,中空微球填料对金属化过孔的影响完全是外表外观上的,它并不会影响电路的性能或金属化过孔的靠得住性。

比较不一样的金属化过孔

全部电路金属化过孔的孔壁外表的纹理均会有不一样的微小差别,纵然在比较同一电路板的孔壁外表的光洁度时也是这么。因为钻孔过程牵涉到多个因素,金属化过孔的孔壁外表会因孔而异。在具备微球填料的材料中,钻头有可能会影响微球填料,也有可能不会,因此造成了差别的萌生。当钻头撞击并破碎空心球面立体时,该过孔的铜镀层将沿着破碎的球面立体的大概轮廓成长,孔壁外表将不再光溜和没有凹凸。图1显露了电路线路板中微球填料的存在怎么样影响该电路材料形成金属化过孔时造成的外表光洁度的增加。我们很天然地会质疑,与金属化过孔更光溜外表的传统电路材料相形,这种光洁度是否会造成电路的电气性能或靠得住性方面萌生不好影响。

随着5G无线网络中宽频率范围的高频电路材料的需要一天比一天提高,理解具备空心微球填料的线路板料料中金属化过孔外表光洁度是否对电路性能有影响是十分有意义的,由于传统的线路板料料中没有这种填料。经过一系列的研讨,比较了来自罗杰斯企业的具备玻璃加强和微球填料的20.7mil厚的RO4730G3线路板料料和没有玻璃加强、具备更小且非空心填料的20mil厚的RO3003G2材料上过孔孔壁的不一样是否会带来影响。为了测试孔壁外表光洁度是否有影响,我们研发了很多不一样的测试电路来比较线路板上的金属化过孔在5G宽的频率范围的事情状况。

测试电路都基于微带传道输送线结构,在电路半中腰有一个通孔,用作从媒介基板料料的顶部铜层到尽头部铜层的导体和信号过渡。测试电路的长度基本都为2英寸左右。我们也运用了其它的一点高频传道输送线技术作为参照,来评估金属化过孔孔壁外表光洁度是否存在影响,涵盖没有信号通孔的8英寸和2英寸长的微带电路,以及8英寸和2英寸长的没有通孔的接地共面波导(GCPW)电路。为了保证勘测时的完全一样性,测试运用了相同的两个2.4毫米的同轴连署器用于全部电路的测试。且测试连署器老是以一样的形式连署到VNA的测试端口,以维持相位完全一样性。

习性于研讨如图1所示的印刷电路板(PCB)显微图像的预设担任职务的人有可能会担心金属化过孔的光洁度会带来影响,特别是在5G电路的高频频率下。普通来说,对于不运用微球补充的传统高频电路材料来说,不细腻的孔壁外表有可能意味着在制作过程中显露出来了某些问题,并有可能会影响到过孔的靠得住性。但对于空心微球补充的电路材料,形成外表不细腻的金属化过孔是正常的,这并不代表其性能差。为了证实这种电路材料中的不细腻的金属化过孔不会影响过孔靠得住性和电性能,我们将新材料(较不细腻的金属化过孔)与更传统的电路材料(更光溜的金属化过孔)施行研讨比较,来消弭将这种材料用于5G无线网络电路预设和其他不论什么应用到毫米波频率范围的电路萌生的不论什么疑虑。

图1. 与没有微球填料的电路材料相形,运用空心微球填料的RO4730G3电路材料有可能形成不细腻孔壁外表的金属化过孔。

图1. 与没有微球填料的电路材料相形,运用空心微球填料的RO4730G3电路材料有可能形成不细腻孔壁外表的金属化过孔。

我们在评估金属化过孔及其孔壁外表对高频电路性能的影响之前,对RO4730G3电路板及其微球填料施行了广泛的评估,以充分理解他们在不一样办公条件下的特别的性质。施行了涵盖10层高加速热冲击(HATS)/ 金属化过孔(PTH)靠得住性、双面PTH靠得住性、双面PTH-PTH导电阳极丝(CAF)电阻、最简单的面-最简单的面CAF电阻、MOT和外表–外表贴装(SMT)测试、绝缘电阻,金属化过孔品质等一系列的材料测试研讨。全部测试表明,材料想到其微球填料内行业标准测试条件下一无问题地经过了这些个测试。相关这些个研讨测试的更多信息,请过访罗杰斯企业官网的技术支持核心http://www.rogerscorp.com/techub。本文的重点是绍介在射频、微波和毫米波频率下运用该材料是否有可能萌生的问题。

事情的真实情况上,在对这种线路板料料想到其微球填料施行的多项研讨测试中,那里面我们利用两种具备不一样金属化过孔壁特点标志的材料,研讨金属化过孔壁外表光洁度变动对RF性能带来的各种影响相比较。研讨测试基于一种特别预设的微带传道输送线电路,作别在顶层和底层都有微带线电路,半中腰媒介是媒介材料,经过金属化过孔成功实现顶层到尽头层的微带线的连署。这些个测试旨在为5G应用供给十分有意义的数值参照,因为这个测试电路在100 MHz至40 GHz范围内都具备令人满意的射频性能。

在该研讨测试中运用的两种材料的介电常数(Dk,或εr)都十分靠近,其值都在3近旁。两种材料也选器具备相同厚度的材料,均为20mil。二者之间的主要差别是那里面一个可以制造孔壁外表光溜的金属化过孔,而另一个制造获得的金属化过孔壁外表较为不细腻。可以制造形成光溜金属化过孔壁外表的材料是罗杰斯企业的RO3003G2?线路板料料,而具备玻璃加强材料和空心微球填料的RO4730G3?线路板制造获得的金属化过孔壁外表较为不细腻。

电路金属化过孔壁外表的纹理区别一般被觉得是电路制作的问题,而不是材料的问题。不过,一点材料特别的性质可以使金属化过孔壁外表获得优化,涵盖电路材料填料类型、填料尺寸、玻璃加强和天然树脂类型等。作为RO4730G3?线路板及其空心微球填料(不细腻的金属化过孔壁外表),比较的RO3003G2?线路板料料是没有玻璃加强材料的,且填料颗粒也十分的小。如果二者均认为合适而使用最佳PCB加工办法,后者将会有十分平而光滑的金属化过孔壁外表。如图2所示,是RO3003G2?线路板可形成的十分光溜的金属化过孔孔壁。

图2.显微图像显露了在20mil厚的RO3003G2电路材料中形成的外表光溜的金属化过孔孔壁。

图2.显微图像显露了在20mil厚的RO3003G2电路材料中形成的外表光溜的金属化过孔孔壁。

对于相同厚度的这两个电路材料,图1和2中所示的两种材料的金属化过孔的外表光洁度的差别是十分显而易见的。仔细查看两个图有可能会萌生这么一个问题,即金属化过孔的较高外表光洁度是否意味着其在射频性能方面存在啥子问题?对于测试电路,微带传道输送线电路是一种管用的办法来比较光溜和不细腻的金属化过孔壁外表对射频性能的影响,由于与其它高频传道输送线结构相形,微带线的加工制作过程中的一点变动对射频性能的影响较小。

为了使40GHz下的不一样电路材料中的金属化过孔供给有意义的最后结果,我们投入了数量多的精神力来优化这些个微带电路。那里面之一是从射频测试连署器向PCB微带线的信号过渡就是一个大的预设挑战。一般事情状况下,在20mil厚的电路板上的微带传道输送线的信号过渡上很不容易得到到回波较好的特别的性质,尤其是频率在25GHz以上的传道输送线。对于宽带微带电路,小于15dB或更好的回波伤耗一般被觉得是可以接纳的。

通孔过渡是另一个关紧的需求思索问题的因素,尤其是在毫米波频率下较难成功实现从某一层到另前线路层的低伤耗过渡。普通来说,在20mil厚电路材料上很难成功实现高于20GHz的微带线通孔过渡的令人满意性能。不过思索问题到上面所说的艰难,本研讨的微带先测试电路,其预设的目的是频率达到40GHz时也会获得令人满意的效果,如图3所示。

图3. 这些个电路是用于评估金属化过孔孔壁外表光洁度对高频下RF性能的影响的电路预设,左图是标准的微带传道输送线,右面是具备金属化过孔的微带线电路。

图3. 这些个电路是用于评估金属化过孔孔壁外表光洁度对高频下RF性能的影响的电路预设,左图是标准的微带传道输送线,右面是具备金属化过孔的微带线电路。

图3左侧所示的“标准”微带线电路是经过接地共面波导(GCPW)结构来成功实现信号过渡改换的微带电路。电路的主体由微带传道输送线构成,GCPW结构在电路的末端用于同轴(2.4毫米)连署器到微带的过渡改换(Southwest  Microwave企业的型号#1492-04A-5)。图3右侧电路就是用于本研讨的测试电路的顶层和底层电路。他们是松耦合的接地共面波导,半中腰是金属化过孔,供给从顶层到尽头层电路的过渡连署。测试电路的长度为2英寸,松耦合的接地共面波导传道输送线电路将具备与微带传道输送线电路十分相仿的射频性能。松耦合在较高频率下具备令人满意的性能,十分适应40GHz下的测试。

图4. 这是网络剖析仪测试获得的不一样电路且具备不一样壁外表纹理的金属化过孔的S参变量的举出例子,作别涵盖频域和时域。

图4. 这是网络剖析仪测试获得的不一样电路且具备不一样壁外表纹理的金属化过孔的S参变量的举出例子,作别涵盖频域和时域。

图4是向量网络剖析仪勘测的频域和时域的最后结果图。图右下角的回波伤耗(S11和S22)的两个标记作别表达了不一样频率下的回波伤耗值。标记2位于40.7GHz处,是该测试电路具备令人满意回波伤耗的无上频率。反射波S22的阻抗显露在图右上角,反射波S11的阻抗显露在图左下角。如S11的标记所示,在通孔改换中的阻抗值,标记1,2和3,电路具备大约48?的阻抗。在通孔过渡地区范围中可测候到较小的阻抗变动,阻抗变动小于2?,对电路的RF性能几乎没有影响。从这些个测试最后结果,电路可被觉得从顶层到尽头层信号具备的令人满意的通孔过渡,同时,它还具备到40GHz的令人满意插进去伤耗性能(如图左上角所示)。

在同一块大的PCB板上加工制造了很多相同预设的电路,以便更好地了解由正常的材料变动以及PCB制作工艺引动的变动继续往前造成射频性能的变动。我们同时加工了两块大的PCB板(板1和板2),上头粉和水发酵制成的食品含多个多个测试电路,且这两个大板来自于相同且更大平面或物体表面的大小的同一块电路材料。

更大大板的材料原始尺寸为24×18英寸,被割切成两个尺寸均为12×18英寸的扳手,因来自同一个大板因为这个两个12×18的电路上可以维持材料的完全一样性。在选取的两种20mil RO3003G2和20.7mil RO4730G3材料的微带线测试电路的制造中,认为合适而使用了绝对相同的电路加工制造工艺和流程以减小加工带来的影响。

测试最后结果的相比较

经过对电路材料的研讨测试,获得了数量多的测试数值,涵盖了每个测试电路的:插进去伤耗,回波伤耗,阻抗,群延缓和相位角(如图4所示)等。直通勘测被用作确认金属化过孔对电路性能的影响的办法。同时也勘测获得了电路的阻抗,但并不被觉得阻抗是反映金属化过孔对射频性能影响的最佳指标。微带线电路(或散松耦合的接地共面波导)的阻抗顺次受媒介厚度、导体宽度、铜厚变动和媒介Dk等参变量的影响。与金属化过孔孔壁外表的带来的影响相形,金属化过孔过渡地区范围中的阻抗将受这些个变量的影响更大。出于上面所说的端由,固然使聚在一起到达阻抗数值,但阻抗并未用于金属化过孔孔壁外表对射频性能的影响的判断。

S21的相位角是被用作金属化过孔孔壁外表变动而引动的电路射频变动的气度,由于沿微带传道输送线的导体外表光洁度将经过该传道输送线影响信号的相位角1,2。直通勘测对有改换通孔的射频信号途径较为敏锐。为证验测试的正确性和可重复性,在那里面一个测试电路向上行的重复性研讨发觉,在39GHz时勘测的S21相位角的标准差是小于±1.2度。我们在测试中运用的S21相位角是S21的展开的相位角,它是-180至+180度相位角的完全值全体。认为合适而使用这种办法更有意义的地方在于增长辩白率,由于纵然对于5G应用中达到39GHz的频率,对非展开相位变动辩白率也不太锐敏。不过,对于Dk约为3的线路板料料上的2英寸长的微带传道输送线,39 GHz下的展开相位角范围将可达到数千度,因为这个测试电路和勘测方案可供给合宜的相位辩白率。

固然金属化过孔孔壁研讨中使聚在一起的数值很宽泛,但在这处依然可以分享一点最后结果。例如,图5显露了在同一块板上制造的预设相同的六个不一样电路的数值,并与作为参照的没有通孔过渡的微带传道输送线施行比较。图5还可以看出在第二块板上制造的预设相同的六个不一样电路的数值(这两个电路板起初是从同一块24×18的材料上割切获得的)。测试最后结果是基于20mil RO3003G2,其具备平而光滑金属化过孔孔壁外表。

图5. S21展开的相位角勘测是包括金属化过孔的2英寸长的微带传道输送线电路。线路板料料为厚度20mil的RO3003G2,其可获得十分光溜的金属化过孔壁外表。

图5. S21展开的相位角勘测是包括金属化过孔的2英寸长的微带传道输送线电路。线路板料料为厚度20mil的RO3003G2,其可获得十分光溜的金属化过孔壁外表。

图5中的电路ID可以显露电路来自哪一个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。电路你我之间相互远离并平均地作别在12×18英寸的板上,以维持完全一样性。某些变动是可以事前预料到的,由于他们对相位角的差别十分敏锐。某些变动是因为PCB制作过程而导致的,而不是金属化过孔壁光洁度的端由,涵盖导体宽度的变动,镀铜厚度的变动和钻孔品质的变动。这个之外,金属化过孔四周围的缝子因为PCB的正常制作公差也会显露出来一点变动。一样,每个板上的细微材料变动,如Dk值的细微变动,也有可能造成相位的变动。思索问题到图5所示的测试值,在39 GHz时相位数值的可重复性标准差小于±1.2度,这是十分好的。

固然不是勘测中的一个因素,RO4730G3TM电路材料的Dk公差维持在±0.05范围内被觉得是十分好的性能表达。不过在更高的频率下,纵然微小的Dk变动有时候也是很表面化的影响。例如,在39 GHz时,0.05的Dk偏移将造成大约为15.3度的相位角变动。对于±0.05的公差或0.10的总Dk偏移,因为电路材料Dk变动,在39GHz时的相位角有可能会移动多达30.6度。当思索问题图5中的相位角变动数时,这个数字具备美好的参照意义。但因为作为这些个金属化过孔评估的电路材料板都来自于相同的原始大板,因为这个因为Dk变动造成的该研讨中的相位角变动将细小。图6供给了具备光溜金属化过孔孔壁的电路(来自图5的RO3003G2TM的重复测试数值)和具备不细腻金属化过孔孔壁(RO4730G3TM)的电路的比较最后结果。

图5. S21展开的相位角勘测是包括金属化过孔的2英寸长的微带传道输送线电路。线路板料料为厚度20mil的RO3003G2,其可获得十分光溜的金属化过孔壁外表。

图6.比较了在三个关键的5G频率下,不一样线路板上制造的微带传道输送线电路的相位角差别计数事情状况。左面的数值是光溜的金属化过孔孔壁外表电路的测试最后结果,而右面的数值是不细腻的金属化过孔孔壁外表的测试最后结果。

如前所述,在研讨过程中,我们都尽力减损材料的变动带来的影响,如板1和2都取自同一个大板保证材料Dk差别最小。因为这个相位角的变动和显露出来的不论什么差别主要是遭受电路制作过程的影响。当对同一块板的电路施行最后结果的剖析时,此时相位角的差别来自于PCB加工制作和材料变动的影响都最小,由于同一块板是绝对同时施行的加工。正由于这么,在同一块板上研讨多个电路可以美好地理解微带线电路的金属化过孔品质。PCB制作过程也有可能造成比预想更为不细腻的金属化过孔孔壁外表。如图6所示,每一块板上的S21展开相角上都有一定的变动,但当比较两种不一样材料上的电路相位变动时,这种变动实际并不显著。

图7.RO4730G3材料的从顶层到尽头层线路的金属化过孔孔壁(较为不细腻)的外表特点标志和3个毫米波频率下相位勘测最后结果。

图7.RO4730G3材料的从顶层到尽头层线路的金属化过孔孔壁(较为不细腻)的外表特点标志和3个毫米波频率下相位勘测最后结果。

显然,经过测候显微照片儿,用于顶层线路与底层线路衔接接的金属化过孔的外表壁有可能会闪现出非常大的不一样。例如,图2显露的ID为P1/C1是在20mil厚的RO3003G2材料上制造的电路金属化过孔,它就有十分光溜的金属化过孔孔壁。图7 ID为P2/C6的电路金属化过孔的外观,是在厚度为20.7mil的RO4730G3线路板料料上的过孔,这种材料上的金属化过孔壁表表情对就要么细腻一点。仅从外观上看,有可能会有一点担心是否这种金属化过孔孔壁外表光洁度会对射频性能带来影响。但正如上所述面所说的几项研讨所表明的那样子,不细腻和光溜的金属化过孔侧壁之间的差别仅只是外表的,至少对于在40 GHz下的这些个测试电路上,绝对无须担心他们对射频/微波/毫米波性能的会带来性能的影响。

需求解释明白的是,本文所列的信息只是对平而光滑金属化过孔和不细腻的金属化过孔的电路材料研讨中使聚在一起的数值的一小局部。研讨的目标是为了证实金属化过孔壁外表光洁度对射频及毫米波频率性能的影响细小。

 

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