5G無(wú)線網(wǎng)絡(luò)覆蓋的頻率范圍很廣，對(duì)工作于毫米波頻率下的線路板材料提出了更高的要求。本文探討了面向5G應(yīng)用的高性能印刷線路板（PCB）上從頂部銅層到底部銅層的金屬化通孔（PTH）的內(nèi)壁粗糙度對(duì)射頻性能的影響。

5G無(wú)線網(wǎng)絡(luò)正在成為實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代電子通信的最大技術(shù)進(jìn)步之一，5G技術(shù)目前使用的信號(hào)載波頻率有如前幾代無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)的6GHz以下的頻率，但也有用于短距離、高速數(shù)據(jù)鏈路的毫米波頻率。在如此寬頻率范圍內(nèi)的電路需要使用特殊的線路板材料，而羅杰斯公司的RO4730G3?線路板從射頻到毫米波頻率都具有出色的的性能，成為許多電路設(shè)計(jì)工程師的選擇。然而，這種類型的線路板與更傳統(tǒng)的線路板材料之間的區(qū)別是，其在介質(zhì)的填料中使用了空心微球，這引起了一些電路設(shè)計(jì)工程師的關(guān)注。由于微球的存在，從加工電路結(jié)構(gòu)的微觀上——例如從一個(gè)導(dǎo)電層到另一個(gè)導(dǎo)電層的金屬化通孔（PTH）——看起來(lái)比在沒(méi)有這種介質(zhì)填料的傳統(tǒng)的線路板材料制作的金屬化通孔要更加粗糙。這僅僅是外觀上的一點(diǎn)不同，還是對(duì)性能有影響？經(jīng)過(guò)大量的測(cè)試，結(jié)果表明，微球填料對(duì)金屬化通孔表面粗糙度的影響純粹是表面的，并不影響電路性能。

金屬化通孔的比較測(cè)試試驗(yàn)

所有電路金屬化通孔的孔壁的紋理都可能變化，即使在同一線路板中。由于鉆孔過(guò)程中出現(xiàn)的多種因素，不同通孔的孔壁表面粗糙度存在很大差異。例如，在具有微球填料的材料中，鉆頭可能影響，也可能不影響微球。當(dāng)鉆頭撞破空心球體時(shí)，該通孔的鍍銅將遵循破碎球體的輪廓生長(zhǎng)，這樣通孔壁表面將不會(huì)光滑和平坦（如圖1所示）。我們很自然地會(huì)問(wèn)到，與傳統(tǒng)的線路板材料相比，這種粗糙的孔壁是否會(huì)導(dǎo)致電氣性能、可靠性等方面的差異。通常，對(duì)于不使用微球填料的傳統(tǒng)高頻線路板材料，粗糙的孔壁表面可能暗示了PCB制造過(guò)程中存在問(wèn)題，可靠性成為一個(gè)問(wèn)題。然而，對(duì)于空心微球填料的線路板材料，表面粗糙的金屬化通孔是正常的，并不意味著其性能指標(biāo)下降。

圖1. 采用空心微球填料的線路板可能形成表面粗糙的金屬化通孔。

我們?cè)谠u(píng)估金屬化通孔及其孔壁表面對(duì)高頻電路性能的影響之前，對(duì)RO4730G3線路板及其微球填料進(jìn)行了廣泛的評(píng)估，以充分了解它們?cè)诓煌ぷ鳁l件下的特性。進(jìn)行了包括10層板的高加速熱沖擊試驗(yàn)、雙面板金屬化通孔可靠性、雙面板孔-孔導(dǎo)電陽(yáng)極絲（CAF）電阻、平面-平面CAF電阻、最高工作溫度和表面貼裝技術(shù)測(cè)試、絕緣電阻、金屬化通孔質(zhì)量等一系列的材料研究。該材料及其微球在工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件下通過(guò)了這些測(cè)試。有關(guān)這些測(cè)試的其它信息可以在羅杰斯公司網(wǎng)站的“技術(shù)支持中心”找到。

金屬化通孔孔壁表面的紋理通常被認(rèn)為是電路制造的問(wèn)題，而不是材料的問(wèn)題。盡管如此，材料特性還是會(huì)產(chǎn)生不同的影響，包括材料填充類型、填料尺寸、玻璃布或樹脂類型。本試驗(yàn)進(jìn)行的射頻測(cè)試比較了來(lái)自羅杰斯公司的具有玻璃增強(qiáng)材料和微球填料的20.7mil厚的RO4730G3線路板和沒(méi)有玻璃增強(qiáng)材料且具有更小非空心填料的20mil厚的RO3003G2線路板。這兩種材料的介電常數(shù)(Dk)或相對(duì)介電常數(shù)(εr)近似為3，厚度相同。而主要的區(qū)別在于，假設(shè)二者均采用最佳PCB制造方法，RO3003G2材料會(huì)有更加光滑的銅通孔壁面，而RO4730G3的金屬化通孔壁面更粗糙。這是因?yàn)镽O4730G3線路板材料及其空心微球填料，而RO3003G2沒(méi)有玻璃增強(qiáng)、極小顆粒且均勻的填料。實(shí)際上，如圖2所示，RO3003G2線路板材料上的確具有非常光滑的通孔孔壁。

圖2. 20 mil RO3003G2中相對(duì)平滑的金屬化通孔壁的顯微圖像。

如圖1和圖2所示，兩種材料中通孔表面粗糙度的差異還是很明顯的，但是這會(huì)影響射頻性能嗎？首先我們來(lái)看測(cè)試電路的設(shè)計(jì)。對(duì)于測(cè)試電路設(shè)計(jì)，微帶傳輸線電路提供了一種有效的方法來(lái)比較光滑和粗糙的通孔壁表面的影響，因?yàn)榕c其它高頻傳輸線相比，微帶線的PCB加工過(guò)程中的一些變化對(duì)射頻性能的影響較小。本研究的微帶電路均采用了一些特殊設(shè)計(jì)，使其工作頻率達(dá)到40GHz仍有較好的性能。如圖3a所示，“標(biāo)準(zhǔn)”微帶傳輸線測(cè)試電路在端部具有接地的共面波導(dǎo)（GCPW）結(jié)構(gòu)，以很好地連接2.4mm同軸連接器（來(lái)自西南微波的型號(hào)＃1492-04A-5）以獲得很好的高頻性能。圖3b顯示了用于本試驗(yàn)的中間具有通孔的測(cè)試電路。電路的長(zhǎng)度為2英寸，其使用的松耦合的接地共面波導(dǎo)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。這種設(shè)計(jì)提高了高頻性能，非常適合40 GHz下的測(cè)試。

圖3. 標(biāo)準(zhǔn)微帶傳輸線(a)和帶金屬化通孔的測(cè)試電路(b)，用于評(píng)估通孔孔壁粗糙度對(duì)射頻性能的影響。

在相同材料上制作許多相同設(shè)計(jì)的電路，以區(qū)別評(píng)估材料變化和PCB制造工藝不確定性的影響導(dǎo)致的RF性能差異。原始大板線路板材料尺寸為24×18英寸，切割成兩個(gè)尺寸均為12×18英寸的小板，這樣保證了不同電路的材料的一致性。在電路的制作加工中，采用了相同的加工工藝，分別得到基于20mil厚的RO3003G2線路板材料上的光滑通孔孔壁和20.7mil厚的RO4730G3線路板材料的粗糙通孔孔壁的電路。

測(cè)試結(jié)果

測(cè)試得到了大量的數(shù)據(jù)，包括插入損耗、回波損耗、阻抗、群延遲和相位角。圖4顯示了設(shè)計(jì)的測(cè)試電路（如圖3b）的矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀屏幕截圖，展示了頻率和時(shí)域的結(jié)果。從圖4a中可知，|S21|在標(biāo)記2的39GHz處為3.93dB。在圖4b中，標(biāo)記1表示的|S11|和|S22|在40.7GHz時(shí)小于14.83dB。使用時(shí)域反射法測(cè)試線路的阻抗，如圖4c和d所示，在通孔過(guò)渡中的標(biāo)記1、2和3處，電路的阻抗大約在48?。盡管在通孔過(guò)渡中仍可觀測(cè)到較小的阻抗變化，但它們的阻抗小于2?并且對(duì)電路的40GHz以下的RF性能幾乎沒(méi)有影響。此時(shí)，電路可被認(rèn)為具有良好的通孔設(shè)計(jì)。

圖4. 被測(cè)量的通孔測(cè)試電路：|S21|（a），|S11|和|S22|（b）；實(shí)阻抗與傳輸距離的關(guān)系，如S11，即從端口1（c）觀察電路的阻抗，以及作為S22，即從端口2（d）觀察電路的阻抗

我們收集了所有的測(cè)量結(jié)果來(lái)顯示了通孔帶來(lái)的影響。但微帶電路（或松散耦合的接地共面波導(dǎo)）的阻抗主要受介質(zhì)厚度、導(dǎo)體寬度，銅厚變化以及介質(zhì)Dk等參數(shù)的影響。同樣，通孔的阻抗也受這些因素的影響，但并不與孔壁粗糙度相關(guān)。出于上述原因，雖然收集到了阻抗數(shù)據(jù)，但阻抗并未用于評(píng)估通孔孔壁表面對(duì)射頻性能的影響。由于類似微帶傳輸線的導(dǎo)體的表面粗糙度影響通過(guò)它的信號(hào)的相位角1,2，因此，相位是評(píng)估通孔孔壁對(duì)RF信號(hào)鏈路影響的靈敏參量。對(duì)于測(cè)試的可重復(fù)性，同一個(gè)電路上的S21相位角測(cè)量，在39GHz時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)方差是±1.2度。這里，S21相位角指的是展開相位角，是-180至+180度相位角的值總和。39GHz時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)方差是±1.2度，就意味著5G應(yīng)用中39GHz的頻率下孔壁粗糙度變化的分辨率是±1.2度，那么對(duì)于較低頻率引起的相位變化就更不敏感。對(duì)于Dk為3的線路板材料上的2英寸長(zhǎng)微帶傳輸線，39GHz下的相位角總和的范圍將可達(dá)到數(shù)千度，因此該測(cè)試電路和測(cè)量方案可提供合適的相位分辨率。

對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析，表1顯示了使用一塊18*12inch的RO3003G2基板材料加工的具有相同設(shè)計(jì)的六個(gè)電路的數(shù)據(jù)，分別以沒(méi)有通孔的微帶傳輸線作為參考。表格中還示出了另一塊18*12inch板材上加工的具有相同設(shè)計(jì)的六個(gè)不同電路的數(shù)據(jù)（這兩塊18*12inch的基板來(lái)自于同一塊24*18 inch基板）。電路ID表示電路來(lái)自哪個(gè)板以及該板上的電路編號(hào)。例如，P1C4表示來(lái)自第一塊板子、電路編號(hào)為4。為實(shí)現(xiàn)一致性，電路彼此之間互相遠(yuǎn)離并均勻地分布在板上。PCB制造過(guò)程會(huì)造成一定的不確定性，如導(dǎo)體寬度的變化、鍍銅厚度的變化和鉆孔質(zhì)量的變化，但它們幾乎與通孔壁粗糙度無(wú)關(guān)。此外，通孔周圍的較小的隔離距離也會(huì)由于PCB加工帶來(lái)一些不確定性。還有，每個(gè)材料上的微小變化如Dk值的微小變化，也可能導(dǎo)致變化。考慮到這些不確定性，在39GHz相位的可重復(fù)性在±1.2度是合理的。

雖然Dk的變化不是測(cè)量評(píng)估中的一個(gè)因素，但需注意到RO4730G3線路板材料的Dk容限在±0.05以內(nèi)。在更高的頻率下，即使輕微的Dk變化有時(shí)也是很明顯的：例如，在39GHz時(shí)，0.05的Dk偏移將導(dǎo)致大約為15.3度的相位角變化。對(duì)于±0.05的公差或0.10的總Dk偏移，39GHz處的相位角可能會(huì)有多達(dá)30.6度的變化。當(dāng)考慮表1中的相位角變化時(shí)，這個(gè)數(shù)值是很好的參考。但由于這些測(cè)試電路都來(lái)自于同一塊大板，因此可以預(yù)期由于Dk變化導(dǎo)致的相位角變化非常小。

表2顯示了使用RO4730G3線路板加工的具有更粗糙的通孔孔壁的電路的相位差異平均值、標(biāo)準(zhǔn)差和相位變化范圍。通過(guò)比較表1和表2，可以看出RO3003G2和RO4730G3線路板之間的統(tǒng)計(jì)差異并不明顯。如前所述，在這些試驗(yàn)過(guò)程中，為了盡量減少材料帶來(lái)的變化，電路板1和2都來(lái)自同一塊大板。對(duì)于相位角的比較結(jié)果以及出現(xiàn)的任何差異主要是來(lái)自電路加工的影響。當(dāng)對(duì)結(jié)果的分析僅限于同一張電路板時(shí)，相位角由于材料帶來(lái)的影響是最小的。每張大板上電路的S21的展開相位角上都有一定的變化，但考慮到在兩種不同材料上制作的電路時(shí)，可以看到這種變化并不顯著。

顯然，通過(guò)觀測(cè)顯微照片，不同材料上的通孔的孔壁呈現(xiàn)出很大的不同。例如，圖2顯示了在20mil厚的RO3003G2線路板上加工的電路P1C1的通孔，它具有非常光滑的通孔孔壁。而基于20.7mil厚的RO4730G3線路板材料的電路P2C6(見(jiàn)圖5)則具有較粗糙的通孔孔壁。僅從外觀上看，可能會(huì)有一些理由擔(dān)心這種通孔壁表面粗糙度對(duì)射頻性能的影響。但正如上述幾項(xiàng)研究所表明的那樣，粗糙和平滑的通孔孔壁之間的差異純粹是表面的，并不對(duì)射頻/微波/毫米波性能產(chǎn)生影響，至少在40GHz以下是這樣的（見(jiàn)表3）！

圖5. 用20 mil RO4730G3線路板制作的PTH側(cè)壁近景照片。

結(jié)論

本文中報(bào)告的信息僅是全部電路測(cè)試數(shù)據(jù)的一小部分。這些測(cè)試的目的是證明通孔表面粗糙度對(duì)毫米波頻率下的RF性能的影響。結(jié)果表明，粗糙的通孔壁與光滑的通孔壁之間只是外觀不同，并不影響40GHz以下的射頻、微波和毫米波的性能。