5G無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )因覆蓋了較寬的頻帶，對工作于毫米波頻率下5G電路的線(xiàn)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(guò)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(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )被譽(yù)為是實(shí)現現代通信的最重要的技術(shù)成就之一，5G技術(shù)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(xiàn)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(gè)差別是材料使用了中空微球作為介質(zhì)的填充材料，這個(gè)差異引起了一些電路設計者的擔憂(yōu)。
由于微球的存在，電路加工結構的外觀(guān)——例如從一個(gè)導電層到另一個(gè)導電層的金屬化過(guò)孔（PTH）——看起來(lái)比沒(méi)有采用這種特殊介質(zhì)填料的傳統的線(xiàn)路板材料，制作形成的金屬化過(guò)孔要更加粗糙?？赡芸雌饋?lái)是這樣的，又或者是有什么其他的擔憂(yōu)，畢竟因為采用中空微球填料的線(xiàn)路板在做金屬化過(guò)孔時(shí)孔壁非常的粗糙。但一系列的研究表明，無(wú)論是在射頻頻率下，還是對5G無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的毫米波頻率下，中空微球填料對金屬化過(guò)孔的影響純粹是表面外觀(guān)上的，它并不會(huì )影響電路的性能或金屬化過(guò)孔的可靠性。
比較不同的金屬化過(guò)孔
所有電路金屬化過(guò)孔的孔壁表面的紋理均會(huì )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(shí)也是如此。由于鉆孔過(guò)程涉及多個(gè)因素，金屬化過(guò)孔的孔壁表面會(huì )因孔而異。在具有微球填料的材料中，鉆頭可能會(huì )影響微球填料，也可能不會(huì )，從而導致了差異的產(chǎn)生。當鉆頭撞擊并破碎空心球體時(shí)，該過(guò)孔的銅鍍層將沿著(zhù)破碎的球體的輪廓生長(cháng)，孔壁表面將不再光滑和平坦。圖1顯示了電路線(xiàn)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(guò)孔時(shí)導致的表面粗糙度的增加。我們很自然地會(huì )質(zhì)疑，與金屬化過(guò)孔更光滑表面的傳統電路材料相比，這種粗糙度是否會(huì )導致電路的電氣性能或可靠性方面產(chǎn)生不良影響。
隨著(zhù)5G無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )中寬頻率范圍的高頻電路材料的需求日益增長(cháng)，了解具有空心微球填料的線(xiàn)路板材料中金屬化過(guò)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(xiàn)路板材料中沒(méi)有這種填料。通過(guò)一系列的研究，比較了來(lái)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(xiàn)路板材料和沒(méi)有玻璃增強、具有更小且非空心填料的20mil厚的RO3003G2材料上過(guò)孔孔壁的不同是否會(huì )帶來(lái)影響。為了測試孔壁表面粗糙度是否有影響，我們開(kāi)發(fā)了許多不同的測試電路來(lái)比較線(xiàn)路板上的金屬化過(guò)孔在5G寬的頻率范圍的情況。
測試電路都基于微帶傳輸線(xiàn)結構，在電路中間有一個(gè)通孔，用作從介質(zhì)基板材料的頂部銅層到底部銅層的導體和信號過(guò)渡。測試電路的長(cháng)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(xiàn)技術(shù)作為參考，來(lái)評估金屬化過(guò)孔孔壁表面粗糙度是否存在影響，包括沒(méi)有信號通孔的8英寸和2英寸長(cháng)的微帶電路，以及8英寸和2英寸長(cháng)的沒(méi)有通孔的接地共面波導（GCPW）電路。為了確保測量時(shí)的一致性，測試使用了相同的兩個(gè)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(huì )擔心金屬化過(guò)孔的粗糙度會(huì )帶來(lái)影響，尤其是在5G電路的高頻頻率下。一般來(lái)說(shuō)，對于不使用微球填充的傳統高頻電路材料來(lái)說(shuō)，粗糙的孔壁表面可能意味著(zhù)在制造過(guò)程中出現了某些問(wèn)題，并可能會(huì )影響到過(guò)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(guò)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(guò)孔不會(huì )影響過(guò)孔可靠性和電性能，我們將新材料（較粗糙的金屬化過(guò)孔）與更傳統的電路材料（更光滑的金屬化過(guò)孔）進(jìn)行研究比較，來(lái)消除將這種材料用于5G無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )電路設計和其它任何應用到毫米波頻率范圍的電路產(chǎn)生的任何疑慮。
圖1. 與沒(méi)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(guò)孔。
我們在評估金屬化過(guò)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(jìn)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(jìn)行了包括10層高加速熱沖擊（HATS）/ 金屬化過(guò)孔（PTH）可靠性、雙面PTH可靠性、雙面PTH-PTH導電陽(yáng)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(guò)孔質(zhì)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(yè)標準測試條件下毫無(wú)問(wèn)題地通過(guò)了這些測試。有關(guān)這些研究測試的更多信息，請訪(fǎng)問(wèn)羅杰斯公司官網(wǎng)的技術(shù)支持中心http://www.rogerscorp.com/techub。 本文的重點(diǎn)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(chǎn)生的問(wèn)題。
事實(shí)上，在對這種線(xiàn)路板材料及其微球填料進(jìn)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(guò)孔壁特征的材料，研究金屬化過(guò)孔壁表面粗糙度變化對RF性能帶來(lái)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(xiàn)電路，分別在頂層和底層都有微帶線(xiàn)電路，中間介質(zhì)是介質(zhì)材料，通過(guò)金屬化過(guò)孔實(shí)現頂層到底層的微帶線(xiàn)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(gè)可以制作孔壁表面光滑的金屬化過(guò)孔，而另一個(gè)制作得到的金屬化過(guò)孔壁表面較為粗糙?？梢灾谱餍纬晒饣饘倩^(guò)孔壁表面的材料是羅杰斯公司的RO3003G2™線(xiàn)路板材料，而具有玻璃增強材料和空心微球填料的RO4730G3™線(xiàn)路板制作得到的金屬化過(guò)孔壁表面較為粗糙。
電路金屬化過(guò)孔壁表面的紋理差別通常被認為是電路制造的問(wèn)題，而不是材料的問(wèn)題。但是，一些材料特性可以使金屬化過(guò)孔壁表面得到優(yōu)化，包括電路材料填料類(lèi)型、填料尺寸、玻璃增強和樹(shù)脂類(lèi)型等。作為RO4730G3™線(xiàn)路板及其空心微球填料（粗糙的金屬化過(guò)孔壁表面），比較的RO3003G2™線(xiàn)路板材料是沒(méi)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(huì )有非常平滑的金屬化過(guò)孔壁表面。如圖2所示，是RO3003G2™線(xiàn)路板可形成的非常光滑的金屬化過(guò)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(guò)孔孔壁。
對于相同厚度的這兩個(gè)電路材料，圖1和2中所示的兩種材料的金屬化過(guò)孔的表面粗糙度的差異是非常顯而易見(jiàn)的。觀(guān)察兩個(gè)圖可能會(huì )產(chǎn)生這樣一個(gè)問(wèn)題，即金屬化過(guò)孔的較高表面粗糙度是否意味著(zhù)其在射頻性能方面存在什么問(wèn)題？對于測試電路，微帶傳輸線(xiàn)電路是一種有效的方法來(lái)比較光滑和粗糙的金屬化過(guò)孔壁表面對射頻性能的影響，因為與其他高頻傳輸線(xiàn)結構相比，微帶線(xiàn)的加工制造過(guò)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(guò)孔提供有意義的結果，我們投入了大量的精力來(lái)優(yōu)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(xiàn)的信號過(guò)渡就是一個(gè)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(xiàn)的信號過(guò)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(xiàn)。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(guò)渡是另一個(gè)重要的需要考慮的因素，特別是在毫米波頻率下較難實(shí)現從某一層到另一線(xiàn)路層的低損耗過(guò)渡。一般來(lái)說(shuō)，在20mil厚電路材料上很難實(shí)現高于20GHz的微帶線(xiàn)通孔過(guò)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(shí)也會(huì )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(guò)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(xiàn)，右邊是具有金屬化過(guò)孔的微帶線(xiàn)電路。
圖3左側所示的“標準”微帶線(xiàn)電路是通過(guò)接地共面波導（GCPW）結構來(lái)實(shí)現信號過(guò)渡轉換的微帶電路。電路的主體由微帶傳輸線(xiàn)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(guò)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(guò)孔，提供從頂層到底層電路的過(guò)渡連接。測試電路的長(cháng)度為2英寸，松耦合的接地共面波導傳輸線(xiàn)電路將具有與微帶傳輸線(xiàn)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(wǎng)絡(luò )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(guò)孔的S參數的示例，分別包括頻域和時(shí)域。
圖4是矢量網(wǎng)絡(luò )分析儀測量的頻域和時(shí)域的結果圖。圖右下角的回波損耗(S11和S22)的兩個(gè)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(guò)渡區域中可觀(guān)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(méi)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(guò)渡，同時(shí)，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(jìn)而導致射頻性能的變化。我們同時(shí)加工了兩塊大的PCB板（板1和板2），上面包含多個(gè)多個(gè)測試電路，且這兩個(gè)大板來(lái)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(gè)尺寸均為12×18英寸的板子，因來(lái)自同一個(gè)大板因此兩個(gè)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(xiàn)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(lái)的影響。
測試結果的對比
通過(guò)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(gè)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(guò)孔對電路性能的影響的方法。同時(shí)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(guò)孔對射頻性能影響的最佳指標。微帶線(xiàn)電路（或松散耦合的接地共面波導）的阻抗依次受介質(zhì)厚度、導體寬度、銅厚變化和介質(zhì)Dk等參數的影響。與金屬化過(guò)孔孔壁表面的帶來(lái)的影響相比，金屬化過(guò)孔過(guò)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(guò)孔孔壁表面對射頻性能的影響的判斷。
雖然金屬化過(guò)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(gè)不同電路的數據，并與作為參考的沒(méi)有通孔過(guò)渡的微帶傳輸線(xiàn)進(jìn)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(gè)不同電路的數據（這兩個(gè)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(guò)孔孔壁表面。
圖5. S21展開(kāi)的相位角測量是含有金屬化過(guò)孔的2英寸長(cháng)的微帶傳輸線(xiàn)電路。線(xiàn)路板材料為厚度20mil的RO3003G2，其可得到非常光滑的金屬化過(guò)孔壁表面。
圖5中的電路ID可以顯示電路來(lái)自哪個(gè)12×18英寸的大板，以及該板上的電路ID編號。例如，P1 C4來(lái)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(guò)程而造成的，而不是金屬化過(guò)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(zhì)量的變化。此外，金屬化過(guò)孔周?chē)目p隙由于PCB的正常制造公差也會(huì )出現一些變化。同樣，每個(gè)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?？紤]到圖5所示的測試值，在39 GHz時(shí)相位數據的可重復性標準差小于±1.2度，這是非常好的。
圖6.比較了在三個(gè)關(guān)鍵的5G頻率下，不同線(xiàn)路板上制作的微帶傳輸線(xiàn)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(guò)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(guò)孔孔壁表面的測試結果。
如前所述，在研究過(guò)程中，我們都盡量減少材料的變化帶來(lái)的影響，如板1和2都取自同一個(gè)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(guò)程的影響。當對同一塊板的電路進(jìn)行結果的分析時(shí)，此時(shí)相位角的差異來(lái)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(shí)進(jìn)行的加工。正因為如此，在同一塊板上研究多個(gè)電路可以很好地了解微帶線(xiàn)電路的金屬化過(guò)孔質(zhì)量。PCB制造過(guò)程也可能導致比預想更為粗糙的金屬化過(guò)孔孔壁表面。如圖6所示，每一塊板上的S21展開(kāi)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(shí)，這種變化實(shí)際并不顯著(zhù)。
圖7.RO4730G3材料的從頂層到底層線(xiàn)路的金屬化過(guò)孔孔壁（較為粗糙）的表面特征和3個(gè)毫米波頻率下相位測量結果。
顯然，通過(guò)觀(guān)測顯微照片，用于頂層線(xiàn)路與底層線(xiàn)路相連接的金屬化過(guò)孔的表面壁可能會(huì )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(guò)孔，它就有非常光滑的金屬化過(guò)孔孔壁。圖7 ID為P2/C6的電路金屬化過(guò)孔的外觀(guān)，是在厚度為20.7mil的RO4730G3線(xiàn)路板材料上的過(guò)孔，這種材料上的金屬化過(guò)孔壁表面相對就要粗糙一些。僅從外觀(guān)上看，可能會(huì )有一些擔心是否這種金屬化過(guò)孔孔壁表面粗糙度會(huì )對射頻性能帶來(lái)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(guò)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(huì )帶來(lái)性能的影響。
需要說(shuō)明的是，本文所列的信息只是對平滑金屬化過(guò)孔和粗糙的金屬化過(guò)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(guò)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(guān)的信息，通過(guò)與羅杰斯公司的當地代表聯(lián)系。
