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PCB厂5G应用的PCB板电镀过孔性能评估（下）

文章来源：作者：梁波静查看手机网址

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人气：4779发布日期：2019-05-15 05:07【大中小】

PCB厂通过对电路材料的研究测试，得到了大量的测试数据，包括了每个测试电路的：插入损耗，回波损耗，阻抗，群延迟和相位角（如图4所示）等。直通测量被用作确定金属化过孔对电路性能的影响的方法。同时也测量得到了电路的阻抗，但并不被认为阻抗是反映金属化过孔对射频性能影响的最佳指标。

微带线电路（或松散耦合的接地共面波导）的阻抗依次受介质厚度、导体宽度、铜厚变化和介质Dk等参数的影响。与金属化过孔孔壁表面的带来的影响相比，金属化过孔过渡区域中的阻抗将受这些变量的影响更大。出于上述原因，虽然收集到了阻抗数据，但阻抗并未用于金属化过孔孔壁表面对射频性能的影响的判断。

S21的相位角是被用作金属化过孔孔壁表面变化而引起的电路射频变化的度量，因为沿微带传输线的导体表面粗糙度将通过该传输线影响信号的相位角1,2。直通测量对有转换通孔的射频信号路径较为敏感。

为验证测试的准确性和可重复性，在其中一个测试电路上进行的重复性研究发现，在39GHz时测量的S21相位角的标准差是小于±1.2度。我们在测试中使用的S21相位角是S21的展开的相位角，它是-180至+180度相位角的绝对值总和。采用这种方法更有意义的地方在于提高分辨率，因为即使对于5G应用中达到39GHz的频率，对非展开相位变化分辨率也不太灵敏。但是，对于Dk约为3的线路板材料上的2英寸长的微带传输线，39 GHz下的展开相位角范围将可达到数千度，因此测试电路和测量方案可提供合适的相位分辨率。

虽然电路板金属化过孔孔壁研究中收集的数据很宽泛，但在这里依旧可以分享一些结果。例如，图5显示了在同一块板上制作的设计相同的六个不同电路的数据，并与作为参考的没有通孔过渡的微带传输线进行比较。图5还可以看出在第二块板上制作的设计相同的六个不同电路的数据（这两个电路板最初是从同一块24×18的材料上切割得到的）。测试结果是基于20mil RO3003G2，其具有平滑金属化过孔孔壁表面。

图5. S21展开的相位角测量是含有金属化过孔的2英寸长的微带传输线电路。线路板材料为厚度20mil的RO3003G2，其可得到非常光滑的金属化过孔壁表面。

图5中的电路ID可以显示电路来自哪个12×18英寸的大板，以及该板上的电路ID编号。例如，P1 C4来自板1，电路编号为4号。电路彼此之间互相远离并均匀地分别在12×18英寸的板上，以保持一致性。某些变化是可以事先预料到的，因为它们对相位角的差异非常敏感。某些变化是由于PCB制造过程而造成的，而不是金属化过孔壁粗糙度的原因，包括导体宽度的变化，镀铜厚度的变化和钻孔质量的变化。

此外，金属化过孔周围的缝隙由于PCB的正常制造公差也会出现一些变化。同样，每个板上的微小材料变化，如Dk值的微小变化，也可能导致相位的变化。考虑到图5所示的测试值，在39 GHz时相位数据的可重复性标准差小于±1.2度，这是非常好的。

虽然不是测量中的一个因素，RO4730G3TM电路材料的Dk公差保持在±0.05范围内被认为是非常好的性能表现。然而在更高的频率下，即使轻微的Dk变化有时也是很明显的影响。例如，在39 GHz时，0.05的Dk偏移将导致大约为15.3度的相位角变化。对于±0.05的公差或0.10的总Dk偏移，由于电路材料Dk变化，在39GHz时的相位角可能会移动多达30.6度。

当考虑图5中的相位角变化数时，这个数值具有很好的参考意义。但由于作为这些金属化过孔评估的电路材料板都来自于相同的原始大板，因此由于Dk变化导致的该研究中的相位角变化将很小。图6提供了具有光滑金属化过孔孔壁的电路（来自图5的RO3003G2TM的重复测试数据）和具有粗糙金属化过孔孔壁（RO4730G3TM）的电路的比较结果。

图6.比较了在三个关键的5G频率下，不同线路板上制作的微带传输线电路的相位角差异统计情况。左边的数据是光滑的金属化过孔孔壁表面电路的测试结果，而右边的数据是粗糙的金属化过孔孔壁表面的测试结果。

如前所述，在研究过程中，我们都尽量减少材料的变化带来的影响，如板1和2都取自同一个大板确保材料Dk差异最小。因此相位角的变化和出现的任何差异主要是受到电路制造过程的影响。当对同一块板的电路进行结果的分析时，此时相位角的差异来自于PCB加工制造和材料变化的影响都最小，因为同一块板是完全同时进行的加工。

正因为如此，在同一块板上研究多个电路可以很好地了解微带线电路的金属化过孔质量。PCB制造过程也可能导致比预想更为粗糙的金属化过孔孔壁表面。如图6所示，每一块板上的S21展开相角上都有一定的变化，但当比较两种不同材料上的电路相位变化时，这种变化实际并不显著。

图7.RO4730G3材料的从顶层到底层线路的金属化过孔孔壁（较为粗糙）的表面特征和3个毫米波频率下相位测量结果。

显然，通过观测显微照片，用于顶层线路与底层线路相连接的金属化过孔的表面壁可能会呈现出很大的不同。例如，图2显示的ID为P1/C1是在20mil厚的RO3003G2材料上制作的电路金属化过孔，它就有非常光滑的金属化过孔孔壁。图7 ID为P2/C6的电路金属化过孔的外观，是在厚度为20.7mil的RO4730G3线路板材料上的过孔，这种材料上的金属化过孔壁表面相对就要粗糙一些。

仅从外观上看，可能会有一些担心是否这种金属化过孔孔壁表面粗糙度会对射频性能带来影响。但正如上述几项研究所表明的那样，粗糙和光滑的金属化过孔侧壁之间的差异仅仅是表面的，至少对于在40 GHz下的这些测试电路上，完全不用担心它们对射频/微波/毫米波性能的会带来性能的影响。

需要说明的是，本文所列的信息只是对平滑金属化过孔和粗糙的金属化过孔的电路材料研究中收集的数据的一小部分。研究的目的是为了证明金属化过孔壁表面粗糙度对射频及毫米波频率性能的影响很小。

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