用于5G的PCB中的金屬化通孔的性能怎么樣

5G無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋的頻率范圍很廣，對(duì)工作于毫米波頻率下的線路板材料提出了更高的要求。本文探討了面向5G應(yīng)用的高性能印刷線路板（PCB）上從頂部銅層到底部銅層的金屬化通孔（PTH）的內(nèi)壁粗糙度對(duì)射頻性能的影響。

5G無線網(wǎng)絡(luò)正在成為實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代電子通信的最大技術(shù)進(jìn)步之一，5G技術(shù)目前使用的信號(hào)載波頻率有如前幾代無線通信網(wǎng)絡(luò)的6GHz以下的頻率，但也有用于短距離、高速數(shù)據(jù)鏈路的毫米波頻率。在如此寬頻率范圍內(nèi)的電路需要使用特殊的線路板材料，而羅杰斯公司的RO4730G3?線路板從射頻到毫米波頻率都具有出色的的性能，成為許多電路設(shè)計(jì)工程師的選擇。然而，這種類型的線路板與更傳統(tǒng)的線路板材料之間的區(qū)別是，其在介質(zhì)的填料中使用了空心微球，這引起了一些電路設(shè)計(jì)工程師的關(guān)注。由于微球的存在，從加工電路結(jié)構(gòu)的微觀上——例如從一個(gè)導(dǎo)電層到另一個(gè)導(dǎo)電層的金屬化通孔（PTH）——看起來比在沒有這種介質(zhì)填料的傳統(tǒng)的線路板材料制作的金屬化通孔要更加粗糙。這僅僅是外觀上的一點(diǎn)不同，還是對(duì)性能有影響？經(jīng)過大量的測(cè)試，結(jié)果表明，微球填料對(duì)金屬化通孔表面粗糙度的影響純粹是表面的，并不影響電路性能。

金屬化通孔的比較測(cè)試試驗(yàn)

所有電路金屬化通孔的孔壁的紋理都可能變化，即使在同一線路板中。由于鉆孔過程中出現(xiàn)的多種因素，不同通孔的孔壁表面粗糙度存在很大差異。例如，在具有微球填料的材料中，鉆頭可能影響，也可能不影響微球。當(dāng)鉆頭撞破空心球體時(shí)，該通孔的鍍銅將遵循破碎球體的輪廓生長(zhǎng)，這樣通孔壁表面將不會(huì)光滑和平坦（如圖1所示）。我們很自然地會(huì)問到，與傳統(tǒng)的線路板材料相比，這種粗糙的孔壁是否會(huì)導(dǎo)致電氣性能、可靠性等方面的差異。通常，對(duì)于不使用微球填料的傳統(tǒng)高頻線路板材料，粗糙的孔壁表面可能暗示了PCB制造過程中存在問題，可靠性成為一個(gè)問題。然而，對(duì)于空心微球填料的線路板材料，表面粗糙的金屬化通孔是正常的，并不意味著其性能指標(biāo)下降。

圖1. 采用空心微球填料的線路板可能形成表面粗糙的金屬化通孔。

我們?cè)谠u(píng)估金屬化通孔及其孔壁表面對(duì)高頻電路性能的影響之前，對(duì)RO4730G3線路板及其微球填料進(jìn)行了廣泛的評(píng)估，以充分了解它們?cè)诓煌ぷ鳁l件下的特性。進(jìn)行了包括10層板的高加速熱沖擊試驗(yàn)、雙面板金屬化通孔可靠性、雙面板孔-孔導(dǎo)電陽(yáng)極絲（CAF）電阻、平面-平面CAF電阻、最高工作溫度和表面貼裝技術(shù)測(cè)試、絕緣電阻、金屬化通孔質(zhì)量等一系列的材料研究。該材料及其微球在工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件下通過了這些測(cè)試。有關(guān)這些測(cè)試的其它信息可以在羅杰斯公司網(wǎng)站的“技術(shù)支持中心”找到。

金屬化通孔孔壁表面的紋理通常被認(rèn)為是電路制造的問題，而不是材料的問題。盡管如此，材料特性還是會(huì)產(chǎn)生不同的影響，包括材料填充類型、填料尺寸、玻璃布或樹脂類型。本試驗(yàn)進(jìn)行的射頻測(cè)試比較了來自羅杰斯公司的具有玻璃增強(qiáng)材料和微球填料的20.7mil厚的RO4730G3線路板和沒有玻璃增強(qiáng)材料且具有更小非空心填料的20mil厚的RO3003G2線路板。這兩種材料的介電常數(shù)(Dk)或相對(duì)介電常數(shù)(εr)近似為3，厚度相同。而主要的區(qū)別在于，假設(shè)二者均采用最佳PCB制造方法，RO3003G2材料會(huì)有更加光滑的銅通孔壁面，而RO4730G3的金屬化通孔壁面更粗糙。這是因?yàn)镽O4730G3線路板材料及其空心微球填料，而RO3003G2沒有玻璃增強(qiáng)、極小顆粒且均勻的填料。實(shí)際上，如圖2所示，RO3003G2線路板材料上的確具有非常光滑的通孔孔壁。

圖2. 20 mil RO3003G2中相對(duì)平滑的金屬化通孔壁的顯微圖像。

如圖1和圖2所示，兩種材料中通孔表面粗糙度的差異還是很明顯的，但是這會(huì)影響射頻性能嗎？首先我們來看測(cè)試電路的設(shè)計(jì)。對(duì)于測(cè)試電路設(shè)計(jì)，微帶傳輸線電路提供了一種有效的方法來比較光滑和粗糙的通孔壁表面的影響，因?yàn)榕c其它高頻傳輸線相比，微帶線的PCB加工過程中的一些變化對(duì)射頻性能的影響較小。本研究的微帶電路均采用了一些特殊設(shè)計(jì)，使其工作頻率達(dá)到40GHz仍有較好的性能。如圖3a所示，“標(biāo)準(zhǔn)”微帶傳輸線測(cè)試電路在端部具有接地的共面波導(dǎo)（GCPW）結(jié)構(gòu)，以很好地連接2.4mm同軸連接器（來自西南微波的型號(hào)＃1492-04A-5）以獲得很好的高頻性能。圖3b顯示了用于本試驗(yàn)的中間具有通孔的測(cè)試電路。電路的長(zhǎng)度為2英寸，其使用的松耦合的接地共面波導(dǎo)傳輸線電路，將具有與微帶傳輸線電路非常相似的射頻性能。這種設(shè)計(jì)提高了高頻性能，非常適合40 GHz下的測(cè)試。

圖3. 標(biāo)準(zhǔn)微帶傳輸線(a)和帶金屬化通孔的測(cè)試電路(b)，用于評(píng)估通孔孔壁粗糙度對(duì)射頻性能的影響。

在相同材料上制作許多相同設(shè)計(jì)的電路，以區(qū)別評(píng)估材料變化和PCB制造工藝不確定性的影響導(dǎo)致的RF性能差異。原始大板線路板材料尺寸為24×18英寸，切割成兩個(gè)尺寸均為12×18英寸的小板，這樣保證了不同電路的材料的一致性。在電路的制作加工中，采用了相同的加工工藝，分別得到基于20mil厚的RO3003G2線路板材料上的光滑通孔孔壁和20.7mil厚的RO4730G3線路板材料的粗糙通孔孔壁的電路。

測(cè)試結(jié)果

測(cè)試得到了大量的數(shù)據(jù)，包括插入損耗、回波損耗、阻抗、群延遲和相位角。圖4顯示了設(shè)計(jì)的測(cè)試電路（如圖3b）的矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀屏幕截圖，展示了頻率和時(shí)域的結(jié)果。從圖4a中可知，|S21|在標(biāo)記2的39GHz處為3.93dB。在圖4b中，標(biāo)記1表示的|S11|和|S22|在40.7GHz時(shí)小于14.83dB。使用時(shí)域反射法測(cè)試線路的阻抗，如圖4c和d所示，在通孔過渡中的標(biāo)記1、2和3處，電路的阻抗大約在48?。盡管在通孔過渡中仍可觀測(cè)到較小的阻抗變化，但它們的阻抗小于2?并且對(duì)電路的40GHz以下的RF性能幾乎沒有影響。此時(shí)，電路可被認(rèn)為具有良好的通孔設(shè)計(jì)。

圖4. 被測(cè)量的通孔測(cè)試電路：|S21|（a），|S11|和|S22|（b）；實(shí)阻抗與傳輸距離的關(guān)系，如S11，即從端口1（c）觀察電路的阻抗，以及作為S22，即從端口2（d）觀察電路的阻抗

我們收集了所有的測(cè)量結(jié)果來顯示了通孔帶來的影響。但微帶電路（或松散耦合的接地共面波導(dǎo)）的阻抗主要受介質(zhì)厚度、導(dǎo)體寬度，銅厚變化以及介質(zhì)Dk等參數(shù)的影響。同樣，通孔的阻抗也受這些因素的影響，但并不與孔壁粗糙度相關(guān)。出于上述原因，雖然收集到了阻抗數(shù)據(jù)，但阻抗并未用于評(píng)估通孔孔壁表面對(duì)射頻性能的影響。由于類似微帶傳輸線的導(dǎo)體的表面粗糙度影響通過它的信號(hào)的相位角1,2，因此，相位是評(píng)估通孔孔壁對(duì)RF信號(hào)鏈路影響的靈敏參量。對(duì)于測(cè)試的可重復(fù)性，同一個(gè)電路上的S21相位角測(cè)量，在39GHz時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)方差是±1.2度。這里，S21相位角指的是展開相位角，是-180至+180度相位角的值總和。39GHz時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)方差是±1.2度，就意味著5G應(yīng)用中39GHz的頻率下孔壁粗糙度變化的分辨率是±1.2度，那么對(duì)于較低頻率引起的相位變化就更不敏感。對(duì)于Dk為3的線路板材料上的2英寸長(zhǎng)微帶傳輸線，39GHz下的相位角總和的范圍將可達(dá)到數(shù)千度，因此該測(cè)試電路和測(cè)量方案可提供合適的相位分辨率。

對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析，表1顯示了使用一塊18*12inch的RO3003G2基板材料加工的具有相同設(shè)計(jì)的六個(gè)電路的數(shù)據(jù)，分別以沒有通孔的微帶傳輸線作為參考。表格中還示出了另一塊18*12inch板材上加工的具有相同設(shè)計(jì)的六個(gè)不同電路的數(shù)據(jù)（這兩塊18*12inch的基板來自于同一塊24*18 inch基板）。電路ID表示電路來自哪個(gè)板以及該板上的電路編號(hào)。例如，P1C4表示來自第一塊板子、電路編號(hào)為4。為實(shí)現(xiàn)一致性，電路彼此之間互相遠(yuǎn)離并均勻地分布在板上。PCB制造過程會(huì)造成一定的不確定性，如導(dǎo)體寬度的變化、鍍銅厚度的變化和鉆孔質(zhì)量的變化，但它們幾乎與通孔壁粗糙度無關(guān)。此外，通孔周圍的較小的隔離距離也會(huì)由于PCB加工帶來一些不確定性。還有，每個(gè)材料上的微小變化如Dk值的微小變化，也可能導(dǎo)致變化?？紤]到這些不確定性，在39GHz相位的可重復(fù)性在±1.2度是合理的。

雖然Dk的變化不是測(cè)量評(píng)估中的一個(gè)因素，但需注意到RO4730G3線路板材料的Dk容限在±0.05以內(nèi)。在更高的頻率下，即使輕微的Dk變化有時(shí)也是很明顯的：例如，在39GHz時(shí)，0.05的Dk偏移將導(dǎo)致大約為15.3度的相位角變化。對(duì)于±0.05的公差或0.10的總Dk偏移，39GHz處的相位角可能會(huì)有多達(dá)30.6度的變化。當(dāng)考慮表1中的相位角變化時(shí)，這個(gè)數(shù)值是很好的參考。但由于這些測(cè)試電路都來自于同一塊大板，因此可以預(yù)期由于Dk變化導(dǎo)致的相位角變化非常小。

表2顯示了使用RO4730G3線路板加工的具有更粗糙的通孔孔壁的電路的相位差異平均值、標(biāo)準(zhǔn)差和相位變化范圍。通過比較表1和表2，可以看出RO3003G2和RO4730G3線路板之間的統(tǒng)計(jì)差異并不明顯。如前所述，在這些試驗(yàn)過程中，為了盡量減少材料帶來的變化，電路板1和2都來自同一塊大板。對(duì)于相位角的比較結(jié)果以及出現(xiàn)的任何差異主要是來自電路加工的影響。當(dāng)對(duì)結(jié)果的分析僅限于同一張電路板時(shí)，相位角由于材料帶來的影響是最小的。每張大板上電路的S21的展開相位角上都有一定的變化，但考慮到在兩種不同材料上制作的電路時(shí)，可以看到這種變化并不顯著。

顯然，通過觀測(cè)顯微照片，不同材料上的通孔的孔壁呈現(xiàn)出很大的不同。例如，圖2顯示了在20mil厚的RO3003G2線路板上加工的電路P1C1的通孔，它具有非常光滑的通孔孔壁。而基于20.7mil厚的RO4730G3線路板材料的電路P2C6(見圖5)則具有較粗糙的通孔孔壁。僅從外觀上看，可能會(huì)有一些理由擔(dān)心這種通孔壁表面粗糙度對(duì)射頻性能的影響。但正如上述幾項(xiàng)研究所表明的那樣，粗糙和平滑的通孔孔壁之間的差異純粹是表面的，并不對(duì)射頻/微波/毫米波性能產(chǎn)生影響，至少在40GHz以下是這樣的（見表3）！

圖5. 用20 mil RO4730G3線路板制作的PTH側(cè)壁近景照片。

結(jié)論

本文中報(bào)告的信息僅是全部電路測(cè)試數(shù)據(jù)的一小部分。這些測(cè)試的目的是證明通孔表面粗糙度對(duì)毫米波頻率下的RF性能的影響。結(jié)果表明，粗糙的通孔壁與光滑的通孔壁之間只是外觀不同，并不影響40GHz以下的射頻、微波和毫米波的性能。