設計毫米波PCB需要考慮哪些必要因素

在過去十年中，商業(yè)、工業(yè)、物聯(lián)網、無線連接和一系列汽車雷達的應用已經發(fā)展到了毫米波（24-100GHz）。毫米波應用的這種快速增長創(chuàng)造了對帶有毫米波電路的多層印制電路板（PCB）的需求。向毫米波的過渡給印制電路行業(yè)帶來了許多挑戰(zhàn)，主要是導體的幾何形狀和材料，因為較短的波長縮小了特征尺寸，放大了PCB制造過程中固有的相對容差。

控制生產成本可能是一項復雜的工程挑戰(zhàn)。成本必須從一開始就被納入電氣設計中，因為材料、基材結構和PCB技術都是在這里確定的。像所有好的工程一樣，目標是設計一個滿足所有性能要求的產品，并有較高的產量，考慮到所有材料和制造容差，結果是在成本和性能之間進行平衡。

最后，在毫米波頻率下，將信號傳導到不同的層是一個難題。關于材料特性和制造方面的難題，我們展示了一個為毫米波PCB應用形成各種通孔結構的例子。我們介紹了一種簡化通孔形成的表面安裝交叉組件，它有幾個額外的優(yōu)點：它有利于快速改變結構，將信號傳導到不同的層，解決對電氣性能的影響。

PCB制造的挑戰(zhàn)

毫米波的波長與PCB的幾何尺寸是同一數(shù)量級的。成本是另一個增加設計復雜性的因素，因為許多新的毫米波產品是用于消費類應用，其基材生產量從幾萬到幾百萬件不等。

在其最簡單的形式中，印制電路是使用照片成像和化學蝕刻工藝制造的。這是通過在銅箔層壓板或多層層壓板上鉆電路孔實現(xiàn)的。鉆孔后，面板被電鍍，在鉆孔和表面上形成銅層，大約有50微米的厚度。接下來，在表面涂上光阻劑，通過光罩用紫外線照射成像，并進行顯影，以暴露出不需要的銅。暴露的銅被化學蝕刻，留下一個成品電路。

蝕刻到電介質也會橫向蝕刻到導體的側面，使該工藝一般不適合射頻/微波應用。電鍍銅和基片都必須被蝕刻以形成導體，從而導致不良的幾何形狀和不太理想的導體容差。

為了克服面板電鍍的問題，大多數(shù)電路的制作采用了"圖案電鍍工藝"。不對整個面板表面進行電鍍，而是在基礎銅箔上施加光阻。然后，使用光罩或激光直接成像，將電路圖案轉移到抗蝕劑涂層的面板上。在成像和顯影之后，基底銅箔上暴露的區(qū)域將被電鍍，形成一個電路圖案，銅也在鉆孔中。為了保護電路圖案和孔壁不受最后的蝕刻影響，錫被鍍在電路圖案的上面。接下來，光阻劑被剝離，背景銅箔被蝕刻，接著是錫條，產生一個成品電路。與面板電鍍相比，圖案電鍍工藝提供了更好的幾何形狀和更嚴格的容差，因為只有底層箔需要進行化學蝕刻，最大限度地減少了改變導體側壁的橫向蝕刻（圖1）。

圖1箔片削減和高級箔片削減工藝的側向蝕刻厚度。

工作頻率為60-100GHz的毫米波結構需要改進天線貼片和嵌入饋線的導體容差和角半徑。為了實現(xiàn)更嚴格的蝕刻容差，已經引入了幾種技術：首先是通過化學研磨減少關鍵層的基礎銅箔厚度。基礎銅箔被減少到不到18微米，這減少了蝕刻時間并改善了導體的幾何形狀，最大限度地減少了對導體側壁的蝕刻和蝕刻補償。第二種方法是改良的蝕刻添加劑工藝（MEAP），它能實現(xiàn)更嚴格的容差和更高的分辨率。與鋁箔還原工藝非常相似，MEAP利用了更薄的基底銅，然而，它使用先進的蝕刻技術，在蝕刻后產生極其均勻的銅幾何形狀（圖2）。

圖2標準圖案電鍍工藝和MEAP。

另一個經常被忽視的因素是，由于更復雜的通孔結構，額外的銅箔厚度對導體的幾何形狀和容差都有影響。大多數(shù)先進的PCB結構不僅僅包括通孔。還有盲孔、埋孔、微孔和"焊盤上的孔"（VIPPO），這些都使電鍍工藝復雜化。為了創(chuàng)造可靠的通孔，銅箔必須從電路圖案表面沿著孔壁向下電鍍，然后再回到表面。被稱為"包裹式電鍍"，銅鍍層是連續(xù)的。由于所有三個表面都是同時電鍍的，所以默認情況下，通孔會發(fā)生包覆電鍍。盲孔和VIPPO的情況則不同。根據IPC-6012規(guī)范，面板電鍍需要滿足每個包覆電鍍周期的最小厚度為5微米（圖3）。

圖3VIPPO與包覆電鍍的對比。

在毫米波結構中，幾乎總是有一個或多個深度的VIPPO和/或盲孔。對仿真模型的影響是，基片現(xiàn)在有一個額外的銅鍍層厚度，每個包覆周期至少5微米。額外的銅層厚度會影響導體的分辨率以及電氣結構的容差。例如，增加VIPPO會增加一個包覆電鍍周期，兩個盲孔深度會增加兩個包覆電鍍周期，等等。這必須在設計過程中盡早解決。

為了保持準確的尺寸容差和克服銅的厚度變化，引入了第三種工藝。這種工藝是圖案電鍍和簡單的鋁箔印刷和蝕刻之間的一種混合。對于貼片天線和濾波變壓器等電路圖像來說，其概念是簡單明了的：它們在基礎銅箔上拍照成像，通常是18微米或更薄，然后進行蝕刻。蝕刻后的部分沒有被電鍍，具有純銅箔蝕刻

審核編輯：郭婷