評估面向5G應用的PCB板電鍍通孔性能

發布日期:2018-09-18 瀏覽次數:0 我要評論(0) 字號:

作者:羅杰斯公司  John Coonrod

5G無線網絡因覆蓋了較寬的頻帶,對工作于毫米波頻率下5G電路的線路板材料提出了特殊的要求。本文探討了用于PCB材料頂層銅箔與底層銅箔之間傳輸信號的金屬化過孔內壁的表面粗糙度對材料的最終射頻性能的影響。

第五代無線網絡被譽為是實現現代通信的最重要的技術成就之一,5G技術既使用低于6GHz的信號頻率,也有用于短距離回傳,高速數據鏈路的毫米波頻率。在如此寬頻率范圍內的電路需要使用特殊的線路板材料,而羅杰斯公司的RO4730G3™電路板材料就成為許多電路設計工程師的選擇,因為它具有從射頻到毫米波頻率的出色性能。然而,這種層壓板材料與傳統的電路材料的存在一個差別是材料使用了中空微球作為介質的填充材料,這個差異引起了一些電路設計者的擔憂。

由于微球的存在,電路加工結構的外觀——例如從一個導電層到另一個導電層的金屬化過孔(PTH)——看起來比沒有采用這種特殊介質填料的傳統的線路板材料,制作形成的金屬化過孔要更加粗糙。可能看起來是這樣的,又或者是有什么其他的擔憂,畢竟因為采用中空微球填料的線路板在做金屬化過孔時孔壁非常的粗糙。但一系列的研究表明,無論是在射頻頻率下,還是對5G無線網絡的毫米波頻率下,中空微球填料對金屬化過孔的影響純粹是表面外觀上的,它并不會影響電路的性能或金屬化過孔的可靠性。

比較不同的金屬化過孔

所有電路金屬化過孔的孔壁表面的紋理均會有不同的細微區別,即使在比較同一電路板的孔壁表面的粗糙度時也是如此。由于鉆孔過程涉及多個因素,金屬化過孔的孔壁表面會因孔而異。在具有微球填料的材料中,鉆頭可能會影響微球填料,也可能不會,從而導致了差異的產生。當鉆頭撞擊并破碎空心球體時,該過孔的銅鍍層將沿著破碎的球體的輪廓生長,孔壁表面將不再光滑和平坦。圖1顯示了電路線路板中微球填料的存在如何影響該電路材料形成金屬化過孔時導致的表面粗糙度的增加。我們很自然地會質疑,與金屬化過孔更光滑表面的傳統電路材料相比,這種粗糙度是否會導致電路的電氣性能或可靠性方面產生不良影響。

隨著5G無線網絡中寬頻率范圍的高頻電路材料的需求日益增長,了解具有空心微球填料的線路板材料中金屬化過孔表面粗糙度是否對電路性能有影響是非常有意義的,因為傳統的線路板材料中沒有這種填料。通過一系列的研究,比較了來自羅杰斯公司的具有玻璃增強和微球填料的20.7mil厚的RO4730G3™線路板材料和沒有玻璃增強、具有更小且非空心填料的20mil厚的RO3003G2材料上過孔孔壁的不同是否會帶來影響。為了測試孔壁表面粗糙度是否有影響,我們開發了許多不同的測試電路來比較線路板上的金屬化過孔在5G寬的頻率范圍的情況。

測試電路都基于微帶傳輸線結構,在電路中間有一個通孔,用作從介質基板材料的頂部銅層到底部銅層的導體和信號過渡。測試電路的長度基本都為2英寸左右。我們也使用了其他的一些高頻傳輸線技術作為參考,來評估金屬化過孔孔壁表面粗糙度是否存在影響,包括沒有信號通孔的8英寸和2英寸長的微帶電路,以及8英寸和2英寸長的沒有通孔的接地共面波導(GCPW)電路。為了確保測量時的一致性,測試使用了相同的兩個2.4毫米的同軸連接器用于所有電路的測試。且測試連接器總是以同樣的方式連接到VNA的測試端口,以保持相位一致性。

習慣于研究如圖1所示的印刷電路板(PCB)顯微圖像的設計人員可能會擔心金屬化過孔的粗糙度會帶來影響,尤其是在5G電路的高頻頻率下。一般來說,對于不使用微球填充的傳統高頻電路材料來說,粗糙的孔壁表面可能意味著在制造過程中出現了某些問題,并可能會影響到過孔的可靠性。但對于空心微球填充的電路材料,形成表面粗糙的金屬化過孔是正常的,這并不代表其性能差。為了證明這種電路材料中的粗糙的金屬化過孔不會影響過孔可靠性和電性能,我們將新材料(較粗糙的金屬化過孔)與更傳統的電路材料(更光滑的金屬化過孔)進行研究比較,來消除將這種材料用于5G無線網絡電路設計和其它任何應用到毫米波頻率范圍的電路產生的任何疑慮。

圖1。 與沒有微球填料的電路材料相比,使用空心微球填料的RO4730G3電路材料可能形成粗糙孔壁表面的金屬化過孔。

我們在評估金屬化過孔及其孔壁表面對高頻電路性能的影響之前,對RO4730G3電路板及其微球填料進行了廣泛的評估,以充分了解它們在不同工作條件下的特性。進行了包括10層高加速熱沖擊(HATS)/ 金屬化過孔(PTH)可靠性、雙面PTH可靠性、雙面PTH-PTH導電陽極絲(CAF)電阻、平面-平面CAF電阻、MOT和表面–表面貼裝(SMT)測試、絕緣電阻,金屬化過孔質量等一系列的材料測試研究。所有測試表明,材料及其微球填料在行業標準測試條件下毫無問題地通過了這些測試。有關這些研究測試的更多信息,請訪問羅杰斯公司官網的技術支持中心http://www。rogerscorp。com/techub。 本文的重點是介紹在射頻、微波和毫米波頻率下使用該材料是否可能產生的問題。

事實上,在對這種線路板材料及其微球填料進行的多項研究測試中,其中我們利用兩種具有不同金屬化過孔壁特征的材料,研究金屬化過孔壁表面粗糙度變化對RF性能帶來的各種影響對比。研究測試基于一種特殊設計的微帶傳輸線電路,分別在頂層和底層都有微帶線電路,中間介質是介質材料,通過金屬化過孔實現頂層到底層的微帶線的連接。這些測試旨在為5G應用提供非常有意義的數據參考,因此測試電路在100 MHz至40 GHz范圍內都具有良好的射頻性能。

在該研究測試中使用的兩種材料的介電常數(Dk,或εr)都非常接近,其值都在3附近。兩種材料也選用具有相同厚度的材料,均為20mil。二者之間的主要區別是其中一個可以制作孔壁表面光滑的金屬化過孔,而另一個制作得到的金屬化過孔壁表面較為粗糙。可以制作形成光滑金屬化過孔壁表面的材料是羅杰斯公司的RO3003G2™線路板材料,而具有玻璃增強材料和空心微球填料的RO4730G3™線路板制作得到的金屬化過孔壁表面較為粗糙。

電路金屬化過孔壁表面的紋理差別通常被認為是電路制造的問題,而不是材料的問題。但是,一些材料特性可以使金屬化過孔壁表面得到優化,包括電路材料填料類型、填料尺寸、玻璃增強和樹脂類型等。作為RO4730G3™線路板及其空心微球填料(粗糙的金屬化過孔壁表面),比較的RO3003G2™線路板材料是沒有玻璃增強材料的,且填料顆粒也非常的小。假設二者均采用最佳PCB加工方法,后者將會有非常平滑的金屬化過孔壁表面。如圖2所示,是RO3003G2™線路板可形成的非常光滑的金屬化過孔孔壁。

圖2。顯微圖像顯示了在20mil厚的RO3003G2電路材料中形成的表面光滑的金屬化過孔孔壁。

對于相同厚度的這兩個電路材料,圖1和2中所示的兩種材料的金屬化過孔的表面粗糙度的差異是非常顯而易見的。觀察兩個圖可能會產生這樣一個問題,即金屬化過孔的較高表面粗糙度是否意味著其在射頻性能方面存在什么問題?對于測試電路,微帶傳輸線電路是一種有效的方法來比較光滑和粗糙的金屬化過孔壁表面對射頻性能的影響,因為與其他高頻傳輸線結構相比,微帶線的加工制造過程中的一些變化對射頻性能的影響較小。

為了使40GHz下的不同電路材料中的金屬化過孔提供有意義的結果,我們投入了大量的精力來優化這些微帶電路。其中之一是從射頻測試連接器向PCB微帶線的信號過渡就是一個大的設計挑戰。通常情況下,在20mil厚的電路板上的微帶傳輸線的信號過渡上很難得到回波較好的特性,特別是頻率在25GHz以上的傳輸線。對于寬帶微帶電路,小于15dB或更好的回波損耗通常被認為是可以接受的。

通孔過渡是另一個重要的需要考慮的因素,特別是在毫米波頻率下較難實現從某一層到另一線路層的低損耗過渡。一般來說,在20mil厚電路材料上很難實現高于20GHz的微帶線通孔過渡的良好性能。但是考慮到上述困難,本研究的微帶先測試電路,其設計的目標是頻率達到40GHz時也會得到良好的效果,如圖3所示。

圖3. 這些電路是用于評估金屬化過孔孔壁表面粗糙度對高頻下RF性能的影響的電路設計,左圖是標準的微帶傳輸線,右邊是具有金屬化過孔的微帶線電路。

圖3左側所示的“標準”微帶線電路是通過接地共面波導(GCPW)結構來實現信號過渡轉換的微帶電路。電路的主體由微帶傳輸線構成,GCPW結構在電路的末端用于同軸(2。4毫米)連接器到微帶的過渡轉換(Southwest  Microwave公司的型號#1492-04A-5)。圖3右側電路就是用于本研究的測試電路的頂層和底層電路。它們是松耦合的接地共面波導,中間是金屬化過孔,提供從頂層到底層電路的過渡連接。測試電路的長度為2英寸,松耦合的接地共面波導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。松耦合在較高頻率下具有良好的性能,非常適合40GHz下的測試。

圖4。 這是網絡分析儀測試得到的不同電路且具有不同壁表面紋理的金屬化過孔的S參數的示例,分別包括頻域和時域。

圖4是矢量網絡分析儀測量的頻域和時域的結果圖。圖右下角的回波損耗(S11和S22)的兩個標記分別表示了不同頻率下的回波損耗值。標記2位于40.7GHz處,是該測試電路具有良好回波損耗的最高頻率。反射波S22的阻抗顯示在圖右上角,反射波S11的阻抗顯示在圖左下角。如S11的標記所示,在通孔轉換中的阻抗值,標記1,2和3,電路具有大約48?的阻抗。在通孔過渡區域中可觀測到較小的阻抗變化,阻抗變化小于2?,對電路的RF性能幾乎沒有影響。從這些測試結果,電路可被認為從頂層到底層信號具有的良好的通孔過渡,同時,它還具有到40GHz的良好插入損耗性能(如圖左上角所示)。

在同一塊大的PCB板上加工制作了許多相同設計的電路,以便更好地理解由正常的材料變化以及PCB制造工藝引起的變化進而導致射頻性能的變化。我們同時加工了兩塊大的PCB板(板1和板2),上面包含多個多個測試電路,且這兩個大板來自于相同且更大面積的同一塊電路材料。

更大大板的材料原始尺寸為24×18英寸,被切割成兩個尺寸均為12×18英寸的板子,因來自同一個大板因此兩個12×18的電路上可以保持材料的一致性。在選取的兩種20mil RO3003G2和20。7mil RO4730G3材料的微帶線測試電路的制作中,采用了完全相同的電路加工制作工藝和流程以減小加工帶來的影響。

測試結果的對比

通過對電路材料的研究測試,得到了大量的測試數據,包括了每個測試電路的:插入損耗,回波損耗,阻抗,群延遲和相位角(如圖4所示)等。直通測量被用作確定金屬化過孔對電路性能的影響的方法。同時也測量得到了電路的阻抗,但并不被認為阻抗是反映金屬化過孔對射頻性能影響的最佳指標。微帶線電路(或松散耦合的接地共面波導)的阻抗依次受介質厚度、導體寬度、銅厚變化和介質Dk等參數的影響。與金屬化過孔孔壁表面的帶來的影響相比,金屬化過孔過渡區域中的阻抗將受這些變量的影響更大。出于上述原因,雖然收集到了阻抗數據,但阻抗并未用于金屬化過孔孔壁表面對射頻性能的影響的判斷。

S21的相位角是被用作金屬化過孔孔壁表面變化而引起的電路射頻變化的度量,因為沿微帶傳輸線的導體表面粗糙度將通過該傳輸線影響信號的相位角1,2。直通測量對有轉換通孔的射頻信號路徑較為敏感。為驗證測試的準確性和可重復性,在其中一個測試電路上進行的重復性研究發現,在39GHz時測量的S21相位角的標準差是小于±1.2度。我們在測試中使用的S21相位角是S21的展開的相位角,它是-180至+180度相位角的絕對值總和。采用這種方法更有意義的地方在于提高分辨率,因為即使對于5G應用中達到39GHz的頻率,對非展開相位變化分辨率也不太靈敏。但是,對于Dk約為3的線路板材料上的2英寸長的微帶傳輸線,39 GHz下的展開相位角范圍將可達到數千度,因此測試電路和測量方案可提供合適的相位分辨率。

雖然金屬化過孔孔壁研究中收集的數據很寬泛,但在這里依舊可以分享一些結果。例如,圖5顯示了在同一塊板上制作的設計相同的六個不同電路的數據,并與作為參考的沒有通孔過渡的微帶傳輸線進行比較。圖5還可以看出在第二塊板上制作的設計相同的六個不同電路的數據(這兩個電路板最初是從同一塊24×18的材料上切割得到的)。測試結果是基于20mil RO3003G2,其具有平滑金屬化過孔孔壁表面。

圖5. S21展開的相位角測量是含有金屬化過孔的2英寸長的微帶傳輸線電路。線路板材料為厚度20mil的RO3003G2,其可得到非常光滑的金屬化過孔壁表面。

圖5中的電路ID可以顯示電路來自哪個12×18英寸的大板,以及該板上的電路ID編號。例如,P1 C4來自板1,電路編號為4號。電路彼此之間互相遠離并均勻地分別在12×18英寸的板上,以保持一致性。某些變化是可以事先預料到的,因為它們對相位角的差異非常敏感。某些變化是由于PCB制造過程而造成的,而不是金屬化過孔壁粗糙度的原因,包括導體寬度的變化,鍍銅厚度的變化和鉆孔質量的變化。此外,金屬化過孔周圍的縫隙由于PCB的正常制造公差也會出現一些變化。同樣,每個板上的微小材料變化,如Dk值的微小變化,也可能導致相位的變化。考慮到圖5所示的測試值,在39 GHz時相位數據的可重復性標準差小于±1.2度,這是非常好的。

雖然不是測量中的一個因素,RO4730G3TM電路材料的Dk公差保持在±0.05范圍內被認為是非常好的性能表現。然而在更高的頻率下,即使輕微的Dk變化有時也是很明顯的影響。例如,在39 GHz時,0.05的Dk偏移將導致大約為15.3度的相位角變化。對于±0.05的公差或0.10的總Dk偏移,由于電路材料Dk變化,在39GHz時的相位角可能會移動多達30.6度。當考慮圖5中的相位角變化數時,這個數值具有很好的參考意義。但由于作為這些金屬化過孔評估的電路材料板都來自于相同的原始大板,因此由于Dk變化導致的該研究中的相位角變化將很小。圖6提供了具有光滑金屬化過孔孔壁的電路(來自圖5的RO3003G2TM的重復測試數據)和具有粗糙金屬化過孔孔壁(RO4730G3TM)的電路的比較結果。

圖6.比較了在三個關鍵的5G頻率下,不同線路板上制作的微帶傳輸線電路的相位角差異統計情況。 左邊的數據是光滑的金屬化過孔孔壁表面電路的測試結果,而右邊的數據是粗糙的金屬化過孔孔壁表面的測試結果。

如前所述,在研究過程中,我們都盡量減少材料的變化帶來的影響,如板1和2都取自同一個大板確保材料Dk差異最小。因此相位角的變化和出現的任何差異主要是受到電路制造過程的影響。當對同一塊板的電路進行結果的分析時,此時相位角的差異來自于PCB加工制造和材料變化的影響都最小,因為同一塊板是完全同時進行的加工。正因為如此,在同一塊板上研究多個電路可以很好地了解微帶線電路的金屬化過孔質量。PCB制造過程也可能導致比預想更為粗糙的金屬化過孔孔壁表面。如圖6所示,每一塊板上的S21展開相角上都有一定的變化,但當比較兩種不同材料上的電路相位變化時,這種變化實際并不顯著。

顯然,通過觀測顯微照片,用于頂層線路與底層線路相連接的金屬化過孔的表面壁可能會呈現出很大的不同。例如,圖2顯示的ID為P1/C1是在20mil厚的RO3003G2材料上制作的電路金屬化過孔,它就有非常光滑的金屬化過孔孔壁。圖7 ID為P2/C6的電路金屬化過孔的外觀,是在厚度為20.7mil的RO4730G3線路板材料上的過孔,這種材料上的金屬化過孔壁表面相對就要粗糙一些。僅從外觀上看,可能會有一些擔心是否這種金屬化過孔孔壁表面粗糙度會對射頻性能帶來影響。但正如上述幾項研究所表明的那樣,粗糙和光滑的金屬化過孔側壁之間的差異僅僅是表面的,至少對于在40 GHz下的這些測試電路上,完全不用擔心它們對射頻/微波/毫米波性能的會帶來性能的影響。

需要說明的是,本文所列的信息只是對平滑金屬化過孔和粗糙的金屬化過孔的電路材料研究中收集的數據的一小部分。研究的目的是為了證明金屬化過孔壁表面粗糙度對射頻及毫米波頻率性能的影響很小。如需獲得更多相關的信息,通過與羅杰斯公司的當地代表聯系。

圖7.RO4730G3材料的從頂層到底層線路的金屬化過孔孔壁(較為粗糙)的表面特征和3個毫米波頻率下相位測量結果。

參考文獻

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2. A. F. Horn III, P. A. LaFrance, C. J. Caisse, J. P. Coonrod, and B. B. Fitts, “Effect of conductor profile structure on propagation in transmission lines,” DesignCon 2016.