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作者：罗杰斯公司 John Coonrod
5G无线网络因覆盖了较宽的频带，对工作于毫米波频率下5G电路的线路板材料提出了特殊的要求。本文探讨了用于PCB材料顶层铜箔与底层铜箔之间传输信号的金属化过孔内壁的表面粗糙度对材料的最终射频性能的影响。
第五代无线网络被誉为是实现现代通信的最重要的技术成就之一，5G技术既使用低于6GHz的信号频率，也有用于短距离回传，高速数据链路的毫米波频率。在如此宽频率范围内的电路需要使用特殊的线路板材料，而罗杰斯公司的RO4730G3™电路板材料就成为许多电路设计工程师的选择，因为它具有从射频到毫米波频率的出色性能。然而，这种层压板材料与传统的电路材料的存在一个差别是材料使用了中空微球作为介质的填充材料，这个差异引起了一些电路设计者的担忧。
由于微球的存在，电路加工结构的外观——例如从一个导电层到另一个导电层的金属化过孔（PTH）——看起来比没有采用这种特殊介质填料的传统的线路板材料，制作形成的金属化过孔要更加粗糙。可能看起来是这样的，又或者是有什么其他的担忧，毕竟因为采用中空微球填料的线路板在做金属化过孔时孔壁非常的粗糙。但一系列的研究表明，无论是在射频频率下，还是对5G无线网络的毫米波频率下，中空微球填料对金属化过孔的影响纯粹是表面外观上的，它并不会影响电路的性能或金属化过孔的可靠性。
比较不同的金属化过孔
所有电路金属化过孔的孔壁表面的纹理均会有不同的细微区别，即使在比较同一电路板的孔壁表面的粗糙度时也是如此。由于钻孔过程涉及多个因素，金属化过孔的孔壁表面会因孔而异。在具有微球填料的材料中，钻头可能会影响微球填料，也可能不会，从而导致了差异的产生。当钻头撞击并破碎空心球体时，该过孔的铜镀层将沿着破碎的球体的轮廓生长，孔壁表面将不再光滑和平坦。图1显示了电路线路板中微球填料的存在如何影响该电路材料形成金属化过孔时导致的表面粗糙度的增加。我们很自然地会质疑，与金属化过孔更光滑表面的传统电路材料相比，这种粗糙度是否会导致电路的电气性能或可靠性方面产生不良影响。
随着5G无线网络中宽频率范围的高频电路材料的需求日益增长，了解具有空心微球填料的线路板材料中金属化过孔表面粗糙度是否对电路性能有影响是非常有意义的，因为传统的线路板材料中没有这种填料。通过一系列的研究，比较了来自罗杰斯公司的具有玻璃增强和微球填料的20.7mil厚的RO4730G3™线路板材料和没有玻璃增强、具有更小且非空心填料的20mil厚的RO3003G2材料上过孔孔壁的不同是否会带来影响。为了测试孔壁表面粗糙度是否有影响，我们开发了许多不同的测试电路来比较线路板上的金属化过孔在5G宽的频率范围的情况。
测试电路都基于微带传输线结构，在电路中间有一个通孔，用作从介质基板材料的顶部铜层到底部铜层的导体和信号过渡。测试电路的长度基本都为2英寸左右。我们也使用了其他的一些高频传输线技术作为参考，来评估金属化过孔孔壁表面粗糙度是否存在影响，包括没有信号通孔的8英寸和2英寸长的微带电路，以及8英寸和2英寸长的没有通孔的接地共面波导（GCPW）电路。为了确保测量时的一致性，测试使用了相同的两个2.4毫米的同轴连接器用于所有电路的测试。且测试连接器总是以同样的方式连接到VNA的测试端口，以保持相位一致性。
习惯于研究如图1所示的印刷电路板（PCB）显微图像的设计人员可能会担心金属化过孔的粗糙度会带来影响，尤其是在5G电路的高频频率下。一般来说，对于不使用微球填充的传统高频电路材料来说，粗糙的孔壁表面可能意味着在制造过程中出现了某些问题，并可能会影响到过孔的可靠性。但对于空心微球填充的电路材料，形成表面粗糙的金属化过孔是正常的，这并不代表其性能差。为了证明这种电路材料中的粗糙的金属化过孔不会影响过孔可靠性和电性能，我们将新材料（较粗糙的金属化过孔）与更传统的电路材料（更光滑的金属化过孔）进行研究比较，来消除将这种材料用于5G无线网络电路设计和其它任何应用到毫米波频率范围的电路产生的任何疑虑。
图1. 与没有微球填料的电路材料相比，使用空心微球填料的RO4730G3电路材料可能形成粗糙孔壁表面的金属化过孔。
我们在评估金属化过孔及其孔壁表面对高频电路性能的影响之前，对RO4730G3电路板及其微球填料进行了广泛的评估，以充分了解它们在不同工作条件下的特性。进行了包括10层高加速热冲击（HATS）/ 金属化过孔（PTH）可靠性、双面PTH可靠性、双面PTH-PTH导电阳极丝（CAF）电阻、平面-平面CAF电阻、MOT和表面–表面贴装（SMT）测试、绝缘电阻，金属化过孔质量等一系列的材料测试研究。所有测试表明，材料及其微球填料在行业标准测试条件下毫无问题地通过了这些测试。有关这些研究测试的更多信息，请访问罗杰斯公司官网的技术支持中心http://www.rogerscorp.com/techub。 本文的重点是介绍在射频、微波和毫米波频率下使用该材料是否可能产生的问题。
事实上，在对这种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。
测试结果的对比
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。
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。如需获得更多相关的信息，通过与罗杰斯公司的当地代表联系。
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。
参考文献
1. J. W. Reynolds, P. A. LaFrance, J. C. Rautio, and A.F. Horn III, “Effect of conductor profile on the insertion loss, propagation constant, and dispersion in thin high frequency transmission lines,” DesignCon 2010.2. A. F. Horn III, P. A. LaFrance, C. J. Caisse, J. P. Coonrod, and B. B. Fitts, “Effect of conductor profile structure on propagation in transmission lines,” DesignCon 2016.