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PCB資訊

PCB資訊 - 評估面向5G應用的PCB電鍍通孔的性能

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PCB資訊 - 評估面向5G應用的PCB電鍍通孔的性能

評估面向5G應用的PCB電鍍通孔的性能
2023-01-10
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5G無線網路因遮蓋了較寬的頻段,對辦公於毫米波頻率下5G電路的線路板料料提出了特別的要求。本文研究討論了用於PCB材料頂層銅箔與底層銅箔之間傳道輸送信號的金屬化過孔內壁的外表光潔度對材料的最後射頻性能的影響。


第五代無線網路被譽為是成功實現現代通信的最關緊的技術業績之一,5G技術既運用低於6GHz的信號頻率,也有用於短距離回傳,高速數值鏈路的毫米波頻率。在這麼寬頻率範圍內的電路需求運用特別的線路板料料,而羅傑斯企業的RO4730G3電路板料料就變成很多電路預設工程師的挑選,由於它具備從射頻到毫米波頻率的特別好性能。不過,這種層壓板料料與傳統的電路材料的存在一個區別是材料運用了中空微球作為媒介的補充材料,這個差別引動了一點電路預設者的擔憂。


因為微球的存在,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)——看起來比沒有認為合適而使用這種特別媒介填料的傳統的線路板料料,製造形成的金屬化過孔要更加不細膩。有可能看起來就是這樣,又還是是有啥子其它的擔憂,畢竟由於認為合適而使用中空微球填料的線路板在做金屬化過孔時孔壁十分的不細膩。但一系列的研討表明,不管是在射頻頻率下,仍然對5G無線網路的毫米波頻率下,中空微球填料對金屬化過孔的影響完全是外表外觀上的,它並不會影響電路的性能或金屬化過孔的靠得住性。


比較不一樣的金屬化過孔
全部電路金屬化過孔的孔壁外表的紋理均會有不一樣的微小差別,縱然在比較同一電路板的孔壁外表的光潔度時也是這麼。因為鑽孔過程牽涉到多個因素,金屬化過孔的孔壁外表會因孔而異。在具備微球填料的材料中,鑽頭有可能會影響微球填料,也有可能不會,因此造成了差別的萌生。當鑽頭撞擊並破碎空心球面立體時,該過孔的銅鍍層將沿著破碎的球面立體的大概輪廓成長,孔壁外表將不再光溜和沒有凹凸。圖1顯露了電路線路板中微球填料的存在怎麼樣影響該電路材料形成金屬化過孔時造成的外表光潔度的增加。我們很天然地會質疑,與金屬化過孔更光溜外表的傳統電路材料相形,這種光潔度是否會造成電路的電氣性能或靠得住性方面萌生不好影響。


隨著5G無線網路中寬頻率範圍的高頻電路材料的需要一天比一天提高,理解具備空心微球填料的線路板料料中金屬化過孔外表光潔度是否對電路性能有影響是十分有意義的,由於傳統的線路板料料中沒有這種填料。經過一系列的研討,比較了來自羅傑斯企業的具備玻璃加強和微球填料的20.7mil厚的RO4730G3線路板料料和沒有玻璃加強、具備更小且非空心填料的20mil厚的RO3003G2材料上過孔孔壁的不一樣是否會帶來影響。為了測試孔壁外表光潔度是否有影響,我們研發了很多不一樣的測試電路來比較線路板上的金屬化過孔在5G寬的頻率範圍的事情狀況。


測試電路都基於微帶傳道輸送線結構,在電路半中腰有一個通孔,用作從媒介基板材料的頂部銅層到盡頭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。我們也運用了其它的一點高頻傳道輸送線技術作為參照,來評估金屬化過孔孔壁外表光潔度是否存在影響,涵蓋沒有信號通孔的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。為了保證勘測時的完全一樣性,測試運用了相同的兩個2.4毫米的同軸連署器用於全部電路的測試。且測試連署器老是以一樣的形式連署到VNA的測試埠,以維持相位完全一樣性。


習性於研討如圖1所示的印刷電路板(PCB)顯微圖像的預設擔任職務的人有可能會擔心金屬化過孔的光潔度會帶來影響,特別是在5G電路的高頻頻率下。普通來說,對於不運用微球補充的傳統高頻電路材料來說,不細膩的孔壁外表有可能意味著在製作過程中顯露出來了某些問題,並有可能會影響到過孔的靠得住性。但對於空心微球補充的電路材料,形成外表不細膩的金屬化過孔是正常的,這並不代表其性能差。


為了證實這種電路材料中的不細膩的金屬化過孔不會影響過孔靠得住性和電性能,我們將新材料(較不細膩的金屬化過孔)與更傳統的電路材料(更光溜的金屬化過孔)施行研討比較,來消弭將這種材料用於5G無線網路電路預設和其他不論什麼應用到毫米波頻率範圍的電路萌生的不論什麼疑慮。

 

空心微球填料的RO4730G3

圖1. 與沒有微球填料的電路材料相形,運用空心微球填料的RO4730G3電路材料有可能形成不細膩孔壁外表的金屬化過孔。


我們在評估金屬化過孔及其孔壁外表對高頻電路性能的影響之前,對RO4730G3電路板及其微球填料施行了廣泛的評估,以充分理解他們在不一樣辦公條件下的特別的性質。施行了涵蓋10層高加速熱衝擊(HATS)/ 金屬化過孔(PTH)靠得住性、雙面PTH靠得住性、雙面PTH-PTH導電陽極絲(CAF)電阻、最簡單的面-最簡單的面CAF電阻、MOT和外表–外表貼裝(SMT)測試、絕緣電阻,金屬化過孔品質等一系列的材料測試研討。全部測試表明,材料想到其微球填料內行業標準測試條件下一無問題地經過了這些個測試。


我們重點是紹介在射頻、微波和毫米波頻率下運用該材料是否有可能萌生的問題。

事情的真實情況上,在對這種線路板料料想到其微球填料施行的多項研討測試中,那裡面我們利用兩種具備不一樣金屬化過孔壁特點標誌的材料,研討金屬化過孔壁外表光潔度變動對RF性能帶來的各種影響相比較。研討測試基於一種特別預設的微帶傳道輸送線電路,作別在頂層和底層都有微帶線電路,半中腰媒介是媒介材料,經過金屬化過孔成功實現頂層到盡頭層的微帶線的連署。這些個測試旨在為5G應用供給十分有意義的數值參照,因為這個測試電路在100 MHz至40 GHz範圍內都具備令人滿意的射頻性能。


在該研討測試中運用的兩種材料的介電常數(Dk,或εr)都十分靠近,其值都在3近旁。兩種材料也選器具備相同厚度的材料,均為20mil。二者之間的主要差別是那裡面一個可以製造孔壁外表光溜的金屬化過孔,而另一個製造獲得的金屬化過孔壁外表較為不細膩。可以製造形成光溜金屬化過孔壁外表的材料是羅傑斯企業的RO3003G2線路板料料,而具備玻璃加強材料和空心微球填料的RO4730G3?線路板製造獲得的金屬化過孔壁外表較為不細膩。


電路金屬化過孔壁外表的紋理區別一般被覺得是電路製作的問題,而不是材料的問題。不過,一點材料特別的性質可以使金屬化過孔壁外表獲得優化,涵蓋電路材料填料類型、填料尺寸、玻璃加強和天然樹脂類型等。作為RO4730G3線路板及其空心微球填料(不細膩的金屬化過孔壁外表),比較的RO3003G2線路板料料是沒有玻璃加強材料的,且填料顆粒也十分的小。如果二者均認為合適而使用最佳PCB加工辦法,後者將會有十分平而光滑的金屬化過孔壁外表。如圖2所示,是RO3003G2線路板可形成的十分光溜的金屬化過孔孔壁。
 

金屬化過孔孔壁

圖2.顯微圖像顯露了在20mil厚的RO3003G2電路材料中形成的外表光溜的金屬化過孔孔壁。

對於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外表光潔度的差別是十分顯而易見的。仔細查看兩個圖有可能會萌生這麼一個問題,即金屬化過孔的較高外表光潔度是否意味著其在射頻性能方面存在啥子問題?對於測試電路,微帶傳道輸送線電路是一種管用的辦法來比較光溜和不細膩的金屬化過孔壁外表對射頻性能的影響,由於與其它高頻傳道輸送線結構相形,微帶線的加工製作過程中的一點變動對射頻性能的影響較小。


為了使40GHz下的不一樣電路材料中的金屬化過孔供給有意義的最後結果,我們投入了數量多的精神力來優化這些個微帶電路。那裡面之一是從射頻測試連署器向PCB微帶線的信號過渡就是一個大的預設挑戰。一般事情狀況下,在20mil厚的電路板上的微帶傳道輸送線的信號過渡上很不容易得到到回波較好的特別的性質,尤其是頻率在25GHz以上的傳道輸送線。對於寬頻微帶電路,小於15dB或更好的回波傷耗一般被覺得是可以接納的。


通孔過渡是另一個關緊的需求思索問題的因素,尤其是在毫米波頻率下較難成功實現從某一層到另前線路層的低傷耗過渡。普通來說,在20mil厚電路材料上很難成功實現高於20GHz的微帶線通孔過渡的令人滿意性能。不過思索問題到上面所說的艱難,本研討的微帶先測試電路,其預設的目的是頻率達到40GHz時也會獲得令人滿意的效果,如圖3所示。
 

金屬化過孔

圖3. 這些個電路是用於評估金屬化過孔孔壁外表光潔度對高頻下RF性能的影響的電路預設,左圖是標準的微帶傳道輸送線,右面是具備金屬化過孔的微帶線電路。

圖3左側所示的“標準”微帶線電路是經過接地共面波導(GCPW)結構來成功實現信號過渡改換的微帶電路。電路的主體由微帶傳道輸送線構成,GCPW結構在電路的末端用於同軸(2.4毫米)連署器到微帶的過渡改換(Southwest  Microwave企業的型號#1492-04A-5)。圖3右側電路就是用於本研討的測試電路的頂層和底層電路。他們是松耦合的接地共面波導,半中腰是金屬化過孔,供給從頂層到盡頭層電路的過渡連署。測試電路的長度為2英寸,松耦合的接地共面波導傳道輸送線電路將具備與微帶傳道輸送線電路十分相仿的射頻性能。松耦合在較高頻率下具備令人滿意的性能,十分適應40GHz下的測試。


網路剖析儀測試

 圖4. 這是網路剖析儀測試獲得的不一樣電路且具備不一樣壁外表紋理的金屬化過孔的S參變數的舉出例子,作別涵蓋頻域和時域。


圖4是向量網路剖析儀勘測的頻域和時域的最後結果圖。圖右下角的回波傷耗(S11和S22)的兩個標記作別表達了不一樣頻率下的回波傷耗值。標記2位於40.7GHz處,是該測試電路具備令人滿意回波傷耗的無上頻率。反射波S22的阻抗顯露在圖右上角,反射波S11的阻抗顯露在圖左下角。如S11的標記所示,在通孔改換中的阻抗值,標記1,2和3,電路具備大約48?的阻抗。在通孔過渡地區範圍中可測候到較小的阻抗變動,阻抗變動小於2?,對電路的RF性能幾乎沒有影響。從這些個測試最後結果,電路可被覺得從頂層到盡頭層信號具備的令人滿意的通孔過渡,同時,它還具備到40GHz的令人滿意插進去傷耗性能(如圖左上角所示)。


在同一塊大的PCB板上加工製造了很多相同預設的電路,以便更好地瞭解由正常的材料變動以及PCB製作工藝引動的變動繼續往前造成射頻性能的變動。我們同時加工了兩塊大的PCB板(板1和板2),上頭粉和水發酵製成的食品含多個多個測試電路,且這兩個大板來自於相同且更大平面或物體表面的大小的同一塊電路材料。


更大大板的材料原始尺寸為24×18英寸,被割切成兩個尺寸均為12×18英寸的扳手,因來自同一個大板因為這個兩個12×18的電路上可以維持材料的完全一樣性。在選取的兩種20mil RO3003G2和20.7mil RO4730G3材料的微帶線測試電路的製造中,認為合適而使用了絕對相同的電路加工製造工藝和流程以減小加工帶來的影響。


測試最後結果的相比較
經過對電路材料的研討測試,獲得了數量多的測試數值,涵蓋了每個測試電路的:插進去傷耗,回波傷耗,阻抗,群延緩和相位角(如圖4所示)等。直通勘測被用作確認金屬化過孔對電路性能的影響的辦法。同時也勘測獲得了電路的阻抗,但並不被覺得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(或散松耦合的接地共面波導)的阻抗順次受媒介厚度、導體寬度、銅厚變動和媒介Dk等參變數的影響。與金屬化過孔孔壁外表的帶來的影響相形,金屬化過孔過渡地區範圍中的阻抗將受這些個變數的影響更大。出於上面所說的端由,固然使聚在一起到達阻抗數值,但阻抗並未用於金屬化過孔孔壁外表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外表變動而引動的電路射頻變動的氣度,由於沿微帶傳道輸送線的導體外表光潔度將經過該傳道輸送線影響信號的相位角1,2。直通勘測對有改換通孔的射頻信號途徑較為敏銳。為證驗測試的正確性和可重複性,在那裡面一個測試電路向上行的重複性研討發覺,在39GHz時勘測的S21相位角的標準差是小於±1.2度。我們在測試中運用的S21相位角是S21的展開的相位角,它是-180至+180度相位角的完全值全體。認為合適而使用這種辦法更有意義的地方在於增長辯白率,由於縱然對於5G應用中達到39GHz的頻率,對非展開相位變動辯白率也不太銳敏。不過,對於Dk約為3的線路板料料上的2英寸長的微帶傳道輸送線,39 GHz下的展開相位角範圍將可達到數千度,因為這個測試電路和勘測方案可供給合宜的相位辯白率。


固然金屬化過孔孔壁研討中使聚在一起的數值很寬泛,但在這處依然可以分享一點最後結果。例如,圖5顯露了在同一塊板上製造的預設相同的六個不一樣電路的數值,並與作為參照的沒有通孔過渡的微帶傳道輸送線施行比較。圖5還可以看出在第二塊板上製造的預設相同的六個不一樣電路的數值(這兩個電路板起初是從同一塊24×18的材料上割切獲得的)。測試最後結果是基於20mil RO3003G2,其具備平而光滑金屬化過孔孔壁外表。
 

RO3003G2

 圖5. S21展開的相位角勘測是包括金屬化過孔的2英寸長的微帶傳道輸送線電路。線路板料料為厚度20mil的RO3003G2,其可獲得十分光溜的金屬化過孔壁外表。


圖5中的電路ID可以顯露電路來自哪一個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。電路你我之間相互遠離並平均地作別在12×18英寸的板上,以維持完全一樣性。某些變動是可以事前預料到的,由於他們對相位角的差別十分敏銳。某些變動是因為PCB製作過程而導致的,而不是金屬化過孔壁光潔度的端由,涵蓋導體寬度的變動,鍍銅厚度的變動和鑽孔品質的變動。這個之外,金屬化過孔四周圍的縫子因為PCB的正常製作公差也會顯露出來一點變動。一樣,每個板上的細微材料變動,如Dk值的細微變動,也有可能造成相位的變動。思索問題到圖5所示的測試值,在39 GHz時相位數值的可重複性標準差小於±1.2度,這是十分好的。


固然不是勘測中的一個因素,RO4730G3TM電路材料的Dk公差維持在±0.05範圍內被覺得是十分好的性能表達。不過在更高的頻率下,縱然微小的Dk變動有時候也是很表面化的影響。


例如,在39 GHz時,0.05的Dk偏移將造成大約為15.3度的相位角變動。對於±0.05的公差或0.10的總Dk偏移,因為電路材料Dk變動,在39GHz時的相位角有可能會移動多達30.6度。當思索問題圖5中的相位角變動數時,這個數字具備美好的參照意義。但因為作為這些個金屬化過孔評估的電路材料板都來自於相同的原始大板,因為這個因為Dk變動造成的該研討中的相位角變動將細小。圖6供給了具備光溜金屬化過孔孔壁的電路(來自圖5的RO3003G2TM的重複測試數值)和具備不細膩金屬化過孔孔壁(RO4730G3TM)的電路的比較最後結果。
 

RO3003G2 vs RO4730G3

圖6.比較了在三個關鍵的5G頻率下,不一樣線路板上製造的微帶傳道輸送線電路的相位角差別計數事情狀況。左面的數值是光溜的金屬化過孔孔壁外表電路的測試最後結果,而右面的數值是不細膩的金屬化過孔孔壁外表的測試最後結果。
如前所述,在研討過程中,我們都盡力減損材料的變動帶來的影響,如板1和2都取自同一個大板保證材料Dk差別最小。


因為這個相位角的變動和顯露出來的不論什麼差別主要是遭受電路製作過程的影響。當對同一塊板的電路施行最後結果的剖析時,此時相位角的差別來自於PCB加工製作和材料變動的影響都最小,由於同一塊板是絕對同時施行的加工。正由於這麼,在同一塊板上研討多個電路可以美好地理解微帶線電路的金屬化過孔品質。PCB製作過程也有可能造成比預想更為不細膩的金屬化過孔孔壁外表。如圖6所示,每一塊板上的S21展開相角上都有一定的變動,但當比較兩種不一樣材料上的電路相位變動時,這種變動實際並不顯著。
 

金屬化過孔孔壁

圖7.RO4730G3材料的從頂層到盡頭層線路的金屬化過孔孔壁(較為不細膩)的外表特點標誌和3個毫米波頻率下相位勘測最後結果。


顯然,經過測候顯微照片兒,用於頂層線路與底層線路銜接接的金屬化過孔的外表壁有可能會閃現出非常大的不一樣。例如,圖2顯露的ID為P1/C1是在20mil厚的RO3003G2材料上製造的電路金屬化過孔,它就有十分光溜的金屬化過孔孔壁。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線路板料料上的過孔,這種材料上的金屬化過孔壁表表情對就要麼細膩一點。


僅從外觀上看,有可能會有一點擔心是否這種金屬化過孔孔壁外表光潔度會對射頻性能帶來影響。但正如上所述面所說的幾項研討所表明的那樣子,不細膩和光溜的金屬化過孔側壁之間的差別僅只是外表的,至少對於在40 GHz下的這些個測試電路上,絕對無須擔心他們對射頻/微波/毫米波性能的會帶來性能的影響。


需求解釋明白的是,本文所列的資訊只是對平而光滑金屬化過孔和不細膩的金屬化過孔的電路材料研討中使聚在一起的數值的一小局部。研討的目標是為了證實金屬化過孔壁外表光潔度對射頻及毫米波頻率性能的影響細小。

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