5G应用的HDI线路板电镀过孔性能评估（中）

文章来源：作者：梁波静查看手机网址

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人气：3692发布日期：2019-05-14 02:50【大中小】

事实上，在对这种HDI线路板材料及其微球填料进行的多项研究测试中，其中我们利用两种具有不同金属化过孔壁特征的材料，研究金属化过孔壁表面粗糙度变化对RF性能带来的各种影响对比。研究测试基于一种特殊设计的微带传输线电路，分别在顶层和底层都有微带线电路，中间介质是介质材料，通过金属化过孔实现顶层到底层的微带线的连接。这些测试旨在为5G应用提供非常有意义的数据参考，因此测试电路在100 MHz至40 GHz范围内都具有良好的射频性能。

在该研究测试中使用的两种材料的介电常数（Dk，或εr）都非常接近，其值都在3附近。两种材料也选用具有相同厚度的材料，均为20mil。二者之间的主要区别是其中一个可以制作孔壁表面光滑的金属化过孔，而另一个制作得到的金属化过孔壁表面较为粗糙。可以制作形成光滑金属化过孔壁表面的材料是罗杰斯公司的RO3003G2™线路板材料，而具有玻璃增强材料和空心微球填料的RO4730G3™线路板制作得到的金属化过孔壁表面较为粗糙。

电路金属化过孔壁表面的纹理差别通常被认为是电路制造的问题，而不是材料的问题。但是，一些材料特性可以使金属化过孔壁表面得到优化，包括电路材料填料类型、填料尺寸、玻璃增强和树脂类型等。作为RO4730G3™线路板及其空心微球填料（粗糙的金属化过孔壁表面），比较的RO3003G2™线路板材料是没有玻璃增强材料的，且填料颗粒也非常的小。假设二者均采用最佳PCB加工方法，后者将会有非常平滑的金属化过孔壁表面。如图2所示，是RO3003G2™线路板可形成的非常光滑的金属化过孔孔壁。

图2.显微图像显示了在20mil厚的RO3003G2电路材料中形成的表面光滑的金属化过孔孔壁。

对于相同厚度的这两个电路材料，图1和2中所示的两种材料的金属化过孔的表面粗糙度的差异是非常显而易见的。观察两个图可能会产生这样一个问题，即金属化过孔的较高表面粗糙度是否意味着其在射频性能方面存在什么问题？对于测试电路，微带传输线电路是一种有效的方法来比较光滑和粗糙的金属化过孔壁表面对射频性能的影响，因为与其他高频传输线结构相比，微带线的加工制造过程中的一些变化对射频性能的影响较小。

为了使40GHz下的不同电路材料中的金属化过孔提供有意义的结果，我们投入了大量的精力来优化这些微带电路。其中之一是从射频测试连接器向PCB微带线的信号过渡就是一个大的设计挑战。通常情况下，在20mil厚的电路板上的微带传输线的信号过渡上很难得到回波较好的特性，特别是频率在25GHz以上的传输线。对于宽带微带电路，小于15dB或更好的回波损耗通常被认为是可以接受的。

通孔过渡是另一个重要的需要考虑的因素，特别是在毫米波频率下较难实现从某一层到另一线路层的低损耗过渡。一般来说，在20mil厚电路材料上很难实现高于20GHz的微带线通孔过渡的良好性能。但是考虑到上述困难，本研究的微带先测试电路，其设计的目标是频率达到40GHz时也会得到良好的效果，如图3所示。

图3. 这些电路是用于评估金属化过孔孔壁表面粗糙度对高频下RF性能的影响的电路设计，左图是标准的微带传输线，右边是具有金属化过孔的微带线电路。

图3左侧所示的“标准”微带线电路是通过接地共面波导（GCPW）结构来实现信号过渡转换的微带电路。电路的主体由微带传输线构成，GCPW结构在电路的末端用于同轴（2.4毫米）连接器到微带的过渡转换（Southwest Microwave公司的型号＃1492-04A-5）。

图3右侧电路就是用于本研究的测试电路的顶层和底层电路。它们是松耦合的接地共面波导，中间是金属化过孔，提供从顶层到底层电路的过渡连接。测试电路的长度为2英寸，松耦合的接地共面波导传输线电路将具有与微带传输线电路非常相似的射频性能。松耦合在较高频率下具有良好的性能，非常适合40GHz下的测试。

图4. 这是网络分析仪测试得到的不同电路且具有不同壁表面纹理的金属化过孔的S参数的示例，分别包括频域和时域。

图4是矢量网络分析仪测量的频域和时域的结果图。图右下角的回波损耗(S11和S22)的两个标记分别表示了不同频率下的回波损耗值。标记2位于40.7GHz处，是该测试电路具有良好回波损耗的最高频率。反射波S22的阻抗显示在图右上角，反射波S11的阻抗显示在图左下角。

如S11的标记所示，在通孔转换中的阻抗值，标记1、2和3，电路具有大约48Ω的阻抗。在通孔过渡区域中可观测到较小的阻抗变化，阻抗变化小于2Ω，对电路的RF性能几乎没有影响。从这些测试结果，电路可被认为从顶层到底层信号具有的良好的通孔过渡，同时，它还具有到40GHz的良好插入损耗性能（如图左上角所示）。

在同一块大的PCB板上加工制作了许多相同设计的电路，以便更好地理解由正常的材料变化以及PCB制造工艺引起的变化进而导致射频性能的变化。我们同时加工了两块大的PCB板（板1和板2），上面包含多个多个测试电路，且这两个大板来自于相同且更大面积的同一块电路材料。

更大大板的材料原始尺寸为24×18英寸，被切割成两个尺寸均为12×18英寸的板子，因来自同一个大板因此两个12×18的电路上可以保持材料的一致性。在选取的两种20mil RO3003G2和20.7mil RO4730G3材料的微带线测试电路的制作中，采用了完全相同的电路加工制作工艺和流程以减小加工带来的影响。

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