Новости PCB - Эффективность нанесения покрытия на сквозные отверстия печатных плат для приложений 5G

Беспроводные сети 5G охватывают более широкий диапазон частот, что предъявляет особые требования к материалам печатных плат для схем 5G, работающих на миллиметровых частотах.В данной статье рассматривается влияние внешней отделки внутренней стенки металлизированных переходных отверстий, используемых для передачи сигналов в канале между верхней и нижней медными пленками материала печатной платы, на конечные радиочастотные характеристики материала.

Беспроводные сети пятого поколения были признаны одним из наиболее важных технологических достижений для успешной реализации современных средств связи. Технология 5G использует как частоты сигнала ниже 6 ГГц, так и частоты миллиметрового диапазона для передачи данных на короткие расстояния и высокоскоростных цифровых каналов. Схемы, работающие в таком широком диапазоне частот, требуют использования специальных материалов для печатных плат, и материал для печатных плат RO4730G3 от Rogers Enterprises стал выбором многих инженеров-схемотехников из-за его исключительно хороших характеристик в диапазоне от радиочастотного диапазона до миллиметровых волн.Однако одно из отличий этого слоистого материала от традиционных материалов для схем заключается в том, что в нем используются полые микросферы в качестве дополнительного материала к носителю, и это различие вызвало некоторое беспокойство у разработчиков схем.

Благодаря наличию микросфер внешний вид структуры печатной платы, такой как металлизированные переходные отверстия (PTHS), которые проходят от одного проводящего слоя к другому, выглядит намного лучше, чем у обычных материалов печатных плат, которые не используют этот специальный наполнитель по своему усмотрению.Металлизированные переходные отверстия менее чувствительны, чем те, которые изготавливаются из обычных материалов для печатных плат, в которых не используется этот специальный наполнитель, который считается целесообразным. Может показаться, что так оно и есть, или же могут возникнуть какие-то другие проблемы, поскольку считается, что металлизация печатных плат с использованием полых микросферических наполнителей имеет очень плохую текстуру. Однако ряд исследований показал, что воздействие наполнителя из полых микросфер на металлизированные отверстия носит чисто косметический характер и не влияет на производительность схемы или надежность металлизированных отверстий, независимо от того, используются ли они на радиочастотах или миллиметровых волнах для беспроводных сетей 5G.

Сравнение различных металлизированных отверстий

Текстура поверхности стенок всех металлизированных отверстий в печатной плате незначительно отличается, даже если сравнивать чистовую обработку отверстий в одной и той же печатной плате. Поскольку процесс сверления зависит от ряда факторов, внешний вид металлизированной стенки отверстия варьируется от отверстия к отверстию. В материалах с микросферическими наполнителями сверло может воздействовать на микросферные наполнители, а может и не воздействовать, создавая тем самым разницу. Когда сверло ударяется о полый сферический куб и разбивает его, медное покрытие отверстия увеличивается примерно по контуру разбитого сферического куба, и стенки отверстия больше не будут гладкими и без неровностей. Инжир. На фиг. 1 показано, как присутствие микросферических наполнителей в печатной плате влияет на улучшение внешнего вида, вызванное образованием металлизированных отверстий в материале печатной платы. Естественно задаться вопросом, не окажет ли такое покрытие негативного влияния на электрические характеристики или надежность схемы по сравнению с более гладким внешним видом обычных материалов для схем с металлизированной перфорацией.

Поскольку потребность в материалах для высокочастотных схем с широким диапазоном частот для беспроводных сетей 5G растет день ото дня, важно понять, влияет ли обработка металлизированных перфораций в материалах печатных плат полыми микросферическими наполнителями, которых нет в обычных материалах печатных плат, на производительность схем.После серии расследований, было проведено сравнение, чтобы понять, повлияет ли разница в покрытии стенок печатной платы RO4730G3 толщиной 20,7 мил с усилением стеклом и наполнителем из микросфер производства Rogers Enterprises на производительность схемы по сравнению с материалом RO3003G2 толщиной 20 мил без усиления стеклом и с меньшим по размеру непустотелым наполнителем. Чтобы проверить влияние отделки стенок отверстий, было разработано несколько различных тестовых схем для сравнения поведения металлизированных переходов на печатных платах в широком диапазоне частот 5G.

Тестовые схемы основаны на структуре линии передачи с микрополосковым каналом со сквозным отверстием в средней части контура, которое служит проводником и обеспечивает передачу сигнала от верхнего медного слоя диэлектрической подложки к медному слою на конце. Длина тестовой цепи составляет в основном около 2 дюймов.Мы также использовали некоторые другие технологии высокочастотных каналов передачи данных в качестве эталона, чтобы оценить, повлияло ли это на внешнюю отделку металлизированных стенок via, охватывая микрополосковые схемы длиной 8 дюймов и 2 дюйма без сигнальных переходов, а также 8-дюймовые и 2-дюймовые длины из цепей заземления с общим плоским волноводом (GCPW) без сквозных отверстий. Чтобы обеспечить полную однородность во время тестирования, для всех цепей используются одни и те же два коаксиальных разъема диаметром 2,4 мм. Тестовые разъемы всегда подключаются к тестовым портам VNA одинаковым образом для поддержания однородности фазы.

Те, кто привык рассматривать готовые микрофотографии печатных плат (PCBS), показанные на рис. 1, вероятно, будут обеспокоены качеством отделки металлизированных переходов, особенно при работе на высокой частоте в сетях 5G. Вообще говоря, для обычных материалов высокочастотных схем, в которых не используются микросферные добавки, отсутствие тонких стенок отверстий может означать, что в процессе производства были выявлены определенные проблемы, которые могут повлиять на надежность переходных отверстий. Однако образование металлических переходных отверстий с неровным внешним видом является нормальным явлением для материалов с полыми микросферами, и это не означает, что они имеют плохие эксплуатационные характеристики.

Чтобы подтвердить, что не слишком чувствительная металлизированная перфорация в этом материале для схем не влияет на надежность и электрические свойства перфорации, мы сравнили новый материал (менее чувствительная металлизированная перфорация) с более традиционными материалами для схем (более гладкая металлизированная перфорация), чтобы устранить любые опасения по поводу использования этого материала в схема беспроводной сети 5G предварительно проектируется и в других схемах, где могут применяться диапазоны частот миллиметрового диапазона. Ниже приведены некоторые примеры использования схем миллиметрового диапазона частот в беспроводных сетях 5G

Рис. 1. По сравнению с материалом для контуров без наполнителя из микросфер, материал для контуров RO4730G3 с наполнителем из полых микросфер обладает способностью образовывать металлизированные отверстия с мелкими порами на стенках.

Прежде чем оценить влияние металлизированных переходов и внешнего вида их стенок на производительность высокочастотных цепей, была проведена тщательная оценка печатной платы RO4730G3 и ее микросферного наполнителя, чтобы полностью понять их специфические свойства в различных офисных условиях.Была проведена серия испытаний материалов, охватывающих надежность 10-слойного высокотемпературного термического удара (HATS) / металлизированного сквозного отверстия (PTH), надежность двустороннего PTH, сопротивление проводящей нити накала (CAF), простейшая сторона-простейшее боковое сопротивление CAF, Тестирование методом технического обслуживания и поверхностного монтажа (SMT), сопротивление изоляции и качество металлизированных сквозных отверстий, среди прочего.Серия семинаров по тестированию материалов. Все испытания показали, что материалы прошли эти испытания без каких-либо проблем в соответствии с промышленными стандартами для испытаний микросферных наполнителей.

Наша цель - представить вопрос о том, можно ли избежать проблем, используя материал на радиочастотах, микроволновых и миллиметровых волнах.

На самом деле, в ходе ряда исследовательских испытаний, проведенных с использованием этого материала для печатных плат с учетом его микросферического наполнителя, сравнивалось различное влияние изменений внешнего вида металлизированной перфорированной стенки на радиочастотные характеристики с использованием двух материалов с различными характеристиками металлизированной перфорированной стенки. Исследовательские испытания основаны на специальной предварительно разработанной схеме линии передачи по микрополосковому каналу с микрополосковыми линейными цепями на верхнем и нижнем слоях, соответственно, при этом промежуточным материалом является среда с половиной талии, а подключение микрополосковой линии от верхнего слоя к торцевому слою успешно осуществляется с помощью металлизированная перфорация. Цель этих тестов - получить очень значимые числовые показатели для приложений 5G, поскольку тестируемая схема обладает удовлетворительными радиочастотными характеристиками в диапазоне от 100 МГц до 40 ГГц.

Диэлектрические постоянные (Dk, или er) двух материалов, использованных в исследовании, были очень близки друг к другу, их значения были близки к 3. Оба материала также были выбраны с одинаковой толщиной - 20 мил. Оба материала также были выбраны так, чтобы они имели одинаковую толщину - 20 мил, с основным отличием в том, что один из них обеспечивал гладкую металлизированную перфорацию, в то время как другой обеспечивал менее мелкую металлизированную перфорацию.Материалом, который позволяет создать гладкую металлизированную перфорированную стенку, является материал печатной платы RO3003G2 производства Rogers Enterprise, в то время как печатная плата RO4730G3 с усилением стеклом и наполнителем из полых микросфер создает менее хрупкую металлизированную перфорированную стенку.

Обычно считается, что текстурные различия во внешнем виде металлизированных перфорированных стенок в схемах связаны скорее с изготовлением схемы, чем с материалом. Однако существует ряд специфических свойств материала, которые могут оптимизировать внешний вид металлизированных перфорированных стен, включая тип наполнителя из материала контура, размер наполнителя, армирование стеклом и тип натуральной смолы. В отличие от печатной платы RO4730G3 и ее наполнителя из полых микросфер (внешний вид перфорированной металлизированной стенки), аналогичный материал печатной платы RO3003G2 не имеет стеклянного армирования, а частицы наполнителя очень мелкие. Если оба варианта будут сочтены подходящими и будет использован оптимальный метод обработки печатной платы, то последняя будет иметь очень ровную и гладкую металлизированную перфорированную стенку. Как показано на рисунке 2, печатная плата RO3003G2 может быть изготовлена с очень гладкой металлизированной перфорированной стенкой.

РИС. 2. Микрофотографическое изображение, на котором видны гладкие металлизированные стенки перфорированного отверстия, выполненные из материала RO3003G2 толщиной 20 мил.

При одинаковой толщине этих двух материалов для контуров разница во внешнем виде металлизированных переходных отверстий для двух материалов, показанных на рисунках 1 и 2, совершенно очевидна. Более пристальный взгляд на эти два рисунка может привести к вопросу о том, означает ли более высокое качество металлизированных переходных отверстий, что с их радиочастотными характеристиками что-то не так. Что касается тестовых схем, то схемы микрополосковых конвейерных линий являются полезным способом сравнить влияние гладкого и не глянцевого металлизированного покрытия на характеристики ВЧ, поскольку небольшое изменение в обработке микрополосковой линии оказывает меньшее влияние на характеристики ВЧ, чем на другие конфигурации высокочастотных конвейерных линий.

Чтобы обеспечить значимые конечные результаты для металлизированных переходов в различных материалах схем на частоте 40 ГГц, мы приложили немало усилий для оптимизации этих отдельных микрополосковых схем. Одной из них является передача сигнала с радиочастотного тестового разъема на микрополосковую линию печатной платы, что по умолчанию является большой проблемой. В целом, нелегко добиться хорошей отдачи от передачи сигнала микрополосковой конвейерной линии на плате толщиной 20 мил с особыми характеристиками, особенно на частотах выше 25 ГГц. Для широкополосных микрополосковых схем обычно считаются приемлемыми обратные потери менее 15 дБ или выше.

Переход через сквозное отверстие является еще одним важным фактором, особенно на миллиметровых частотах, где труднее успешно осуществить переход с одного слоя на другой с минимальными потерями при работе. Вообще говоря, трудно успешно добиться удовлетворительных характеристик микрополосковых сквозных переходов с частотой выше 20 ГГц на материалах для схем толщиной 20 мил. Однако, учитывая трудности, упомянутые выше, первая тестовая схема с микрополосковой полосой в данном исследовании предназначена для достижения удовлетворительных результатов даже на частотах до 40 ГГц, как показано на рис. 3.

Рис. 3. Эти схемы были использованы для оценки по умолчанию влияния внешней отделки стенок металлизированных отверстий на радиочастотные характеристики на высоких частотах при использовании стандартной линии передачи микрополоскового канала слева и схемы микрополосковой линии с металлизированными отверстиями справа.

“Стандартная” микрополосковая линейная схема, показанная слева на рисунке 3, представляет собой микрополосковую схему, которая успешно реализует переходное преобразование сигнала с помощью заземленной копланарной волноводной структуры (GCPW). Основная часть схемы состоит из линии передачи по микрополосковому каналу, а структура GCPW используется в конце схемы для преобразования коаксиального (2,4 мм) разъема в микрополосковый переход (модель Southwest Microwave #1492-04A-5). Схемы в правой части рисунка. 3 - это верхняя и нижняя схемы, используемые в тестовых схемах данного исследования. Они представляют собой неплотно соединенные заземленные копланарные волноводы с металлизированными переходными отверстиями посередине средней секции, обеспечивающими переходные соединения от цепей верхнего слоя к цепям конечного слоя. При длине тестовой цепи в 2 дюйма слабосвязанные заземленные копланарные волноводные конвейерные линии будут иметь очень схожие радиочастотные характеристики с микрополосковыми конвейерными линиями. Слабосвязанные конвейерные линии имеют удовлетворительные характеристики на более высоких частотах и хорошо подходят для тестирования на частоте 40 ГГц.

Рис. 4. Это иллюстративный пример переменных S-параметра, полученных в результате тестов сетевого профилировщика для металлизированных переходов с различными схемами и различными текстурами внешних стен, охватывающих частотную и временную области, соответственно.

На рис. 4 показаны окончательные результаты работы векторного сетевого профилировщика в частотной и временной областях.Две метки в правом нижнем углу рисунка, обозначающие потери при возвращении (S11 и S22), отражают значения потерь при возвращении на разных частотах соответственно. Маркер 2 расположен на частоте 40,7 ГГц, которая является бесконечной частотой, при которой тестовая схема имеет удовлетворительный обратный отсев. Полное сопротивление отраженной волны S22 показано в правом верхнем углу рисунка, а полное сопротивление отраженной волны S11 показано в левом нижнем углу рисунка. Как видно из обозначения S11, значения импеданса в переходе через отверстие,обозначенные 1, 2 и 3, схема имеет полное сопротивление около 48? Меньшие колебания импеданса могут быть измерены в диапазоне переходных зон со сквозными отверстиями, при этом колебания импеданса составляют менее 2 бар, что практически не влияет на радиочастотные характеристики схемы. Из окончательных результатов этих тестов видно, что схема имеет удовлетворительные сквозные переходы от верхнего к конечному сигналам, и в то же время она также имеет удовлетворительные характеристики ввода и вывода на частоте до 40 ГГц (показано в верхнем левом углу рисунка).

На одной и той же большой печатной плате было изготовлено несколько схем с одинаковыми предустановками, чтобы лучше понять изменения в радиочастотных характеристиках, вызванные обычными вариациями материалов, а также изменениями в процессе изготовления печатных плат в будущем. Мы одновременно обработали две большие печатные платы (плата 1 и плата 2), на которых были изготовлены порошкообразные и ферментированные в воде пищевые продукты, содержащие несколько тестовых схем, и обе большие платы были изготовлены из одного и того же материала для схем с одинаковым и большим размером плоскости или поверхности объекта.

Первоначальный размер материала для платы большего размера составлял 24 х 18 дюймов, который был разрезан на два гаечных ключа размером 12 х 18 дюймов, так как две схемы размером 12 х 18 дюймов, изготовленные на одной плате, были изготовлены из одного и того же материала. При изготовлении двух выбранных тестовых схем с микрополосковой линией из материалов 20 мил RO3003G2 и 20,7 мил RO4730G3 были использованы абсолютно идентичные процессы и процедуры механической обработки, которые были сочтены целесообразными для минимизации воздействия механической обработки.

Сравнение окончательных результатов тестирования

После изучения материалов тестируемых схем было получено большое количество тестовых значений для каждой из тестируемых схем, охватывающих: входное напряжение, обратное напряжение, полное сопротивление, групповую задержку и фазовый угол (как показано на рисунке 4). Для подтверждения влияния металлизированных переходов на характеристики схемы используются прямые измерения. Также измеряется полное сопротивление схемы, но оно не считается лучшим показателем влияния металлизированных переходов на радиочастотные характеристики. На импеданс микрополосковой линейной схемы (или слабо связанного заземленного копланарного волновода) влияют такие параметры, как толщина среды, ширина проводника, изменение толщины меди и среднее значение Dk в указанном порядке. Эти индивидуальные переменные в большей степени влияют на импеданс в переходной зоне металлизированных переходов, чем на внешний вид стенок металлизированных переходов. По причинам, указанным выше, импеданс не используется для определения влияния внешней поверхности металлизированной стенки отверстия на радиочастотные характеристики, хотя значение импеданса достигается путем агрегирования.

Фазовый угол S21 используется в качестве показателя степени радиочастотных изменений в цепи, вызванных изменениями внешнего вида металлизированной стенки отверстия, поскольку внешний вид проводника вдоль микрополосковой конвейерной линии будет влиять на фазовый угол сигналов, проходящих по конвейерной линии.1,2 Обзор через отверстие более удобен. чувствителен к трактам радиочастотного сигнала, которые изменяются в сквозном отверстии. Для проверки правильности и повторяемости теста было проведено исследование повторяемости, в ходе которого тестовая схема была подключена по восходящей линии, и было установлено, что стандартное отклонение фазового угла S21 на частоте 39 ГГц составило менее ±1,2 градуса. Фазовый угол S21, который мы использовали в тесте, является фазовым углом расширения S21, который представляет собой полное значение фазового угла от -180 до +180 градусов. Считается целесообразным использовать этот подход как более значимый с точки зрения повышения скорости защиты, поскольку скорость защиты менее чувствительна к нерасширенным фазовым изменениям даже для частот до 39 ГГц в приложениях 5G. Однако для микрополосковой линии передачи данных длиной 2 дюйма на стандартной печатной плате с Dk около 3 диапазон фазовых углов расширения на частоте 39 ГГц будет составлять тысячи градусов, поскольку эта тестовая схема и решение для обследования могут быть использованы для обеспечения подходящей фазовой защиты.

Несмотря на то, что значения, полученные в результате исследования стенок металлизированного перфорированного отверстия, очень широки, здесь все же можно поделиться некоторыми окончательными результатами. Например, рис. На фиг. 5 показаны значения для шести различных схем одной и той же предустановки, выполненных на одной плате, и проведено сравнение их с конвейерной линией с микрополосковым каналом без сквозных переходов в качестве эталона. Инжир. На рис. 5 также показаны значения для шести различных схем, изготовленных на второй плате с одинаковым предварительным дизайном (обе платы изначально были вырезаны из одного и того же куска материала размером 24×18 мм). Окончательные результаты испытаний были основаны на 20-миллиметровом материале RO3003G2, который имеет плоскую и гладкую металлизированную стенку перфорированного отверстия.

На снимке фазового угла, разработанном компанией S21, показана схема линии передачи с микрополосковым каналом длиной 2 дюйма, включающая металлизированную перфорацию. Материал печатной платы - RO3003G2 толщиной 20 мил, что придает металлизированным перфорированным стенкам очень гладкий внешний вид.

Идентификаторы схем на рисунке 5 показывают, с какой платы размером 12 x 18 дюймов изготовлена схема, а также идентификационный номер схемы на этой плате. Например, P1 C4 относится к плате 1 и имеет идентификационный номер схемы 4. Схемы отделены друг от друга и равномерно распределены на платах размером 12 x 18 дюймов для обеспечения полной однородности. Некоторые изменения можно предвидеть заранее, поскольку они очень чувствительны к разнице фазовых углов. Некоторые различия обусловлены процессом изготовления печатной платы и не связаны с отделкой металлизированных стенок, изменением ширины проводников, толщины медного покрытия и качеством сверления. В дополнение к этому, швы вокруг металлизированных переходов будут иметь небольшие отклонения из-за обычных производственных допусков на печатной плате. Аналогичным образом, небольшие отклонения материала на каждой плате, такие как небольшие отклонения в значениях Dk, также могут привести к изменениям фазы. Учитывая тестовые значения, показанные на рис. 5. стандартное отклонение повторяемости значения фазы на частоте 39 ГГц составляет менее ±1,2 градуса, что очень хорошо.

Допуск Dk материала схемы RO4730G3TM, равный ±0,05, хотя и не является важным фактором при тестировании, считается очень хорошим показателем производительности. Однако на более высоких частотах даже небольшие отклонения в Dk иногда могут оказывать очень поверхностное воздействие.

Например, на частоте 39 ГГц смещение на 0,05 Dk приведет к сдвигу фазового угла примерно на 15,3 градуса. При допуске ±0,05 или полном сдвиге Dk, равном 0,10, фазовый угол на частоте 39 ГГц может измениться на целых 30,6 градуса из-за сдвига Dk материала схемы. Этот рисунок является хорошим ориентиром при рассмотрении сдвигов фазовых углов на рис. 5 задачи. Однако, поскольку все платы, изготовленные из материала, из которого сделаны эти отдельные переходы для металлизации, изготовлены из одной и той же исходной платы, сдвиг фазового угла в этом исследовании из-за изменения Dk будет небольшим. Инжир. На рис. 6 представлены окончательные результаты сравнения схемы с гладкими металлизированными переходами (повторите тестовые значения RO3003G2TM на рис. 5) и схемы с нерезкими металлизированными переходами (RO4730G3TM).

На рис. 6 сравниваются значения разности фазовых углов в схемах линий передачи с микрополосковым каналом, изготовленных на разных печатных платах, на трех критических частотах 5G. Значения слева - это окончательные результаты теста для схем с гладкими металлизированными наружными стенками отверстий, в то время как значения справа - окончательные результаты теста для не детализированных металлизированных наружных стенок отверстий.

Как упоминалось ранее, в ходе исследования были приложены все усилия, чтобы свести к минимуму влияние различий в материалах, например, доски 1 и 2 были взяты из одной и той же большой доски, чтобы разница в материале Dk была сведена к минимуму.

Это связано с тем, что изменение фазового угла и любая выявленная разница в основном обусловлены процессом изготовления схемы. При анализе конечных результатов изготовления схем на одной плате разница в фазовом угле, возникающая в результате обработки печатной платы, и изменения материала сводятся к минимуму, поскольку одна и та же плата обрабатывается в одно и то же время. По этой причине изучение нескольких схем на одной плате позволяет лучше понять качество металлизированных переходов для микрополосковых линейных схем, а процесс изготовления печатной платы также может привести к тому, что металлизированные переходы будут выглядеть менее изящно, чем ожидалось. Как показано на рисунке 6, существует некоторое изменение фазового угла рассеяния S21 на каждой плате, но это изменение на самом деле незначительно при сравнении изменения фазы схем, выполненных из двух разных материалов.

Рис. 7. Окончательные результаты фазовой съемки на частотах трех миллиметровых волн для материала RO4730G3 с внешней характерной маркировкой металлизированных стенок перфорированного отверстия (которые менее чувствительны) от верхнего слоя до торцевого слоя схемы.

Очевидно, что после выветривания микрофотографий внешние стенки металлизированных переходов, используемых для соединения верхнего слоя схемы с нижним слоем схемы, могут выглядеть совсем по-другому. Например, рис. На рис. 2 показан идентификатор P1/C1, который представляет собой контур, металлизированный via, изготовленный из материала RO3003G2 толщиной 20 мил, и имеет очень гладкую металлизированную стенку via. Рисунок 7 Обозначает внешний вид перфорации для металлизации схемы P2/C6 толщиной 20,7 мил. Материал печатной платы RO4730G3 на перфорации, этот материал на металлизации перфорационной стенки немного более тонкий.

Исходя только из внешнего вида, могут возникнуть некоторые опасения относительно того, повлияет ли отделка металлизированных стенок перфорации на радиочастотные характеристики.Однако, как показали упомянутые выше исследования, разница между мелкими и гладкими металлизированными перфорированными боковыми стенками носит лишь косметический характер, и нет абсолютно никакой необходимости беспокоиться об их влиянии на производительность ВЧ/СВЧ/ миллиметровых волнах, по крайней мере, для этих тестовых схем на частоте 40 ГГц.

Важно понимать, что информация, представленная в этой статье, представляет собой лишь малую часть значений, собранных в ходе изучения материалов схем с плоскими и гладкими металлизированными переходами и не очень тонкими металлизированными переходами. Цель исследования состояла в том, чтобы продемонстрировать, что влияние внешней отделки металлизированных стенок перфорации на радиочастотные характеристики и частоту миллиметровых волн невелико.