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PCB加工

毫米波電路的精準(zhǔn)尺寸需要良好控制的PCB加工工藝，以生產(chǎn)出具有可重復(fù)的卓越性能的電路。銅鍍層厚度的變化和導(dǎo)體表面上的最終表面處理的變化可能影響毫米波電路的性能。為了順利完成性能優(yōu)異的毫米波電路加工，必須密切控制這兩個(gè)加工工藝。對(duì)于層壓板來說，層壓板上的原始銅厚度變化通常被控制在±10%公差范圍內(nèi)。對(duì)于有電鍍通孔（PTH）進(jìn)行電路互連的電路，為了支持PTH工藝的實(shí)施，最終電路的鍍銅厚度往往較厚。銅鍍層工藝產(chǎn)生的正常變化與電路設(shè)計(jì)和加工工藝類型有關(guān)。電路加工過程中通常會(huì)在一張大板上產(chǎn)生，一般來說，中間的鍍銅較薄邊緣較厚。這種銅厚度變化就可能是毫米波頻率下性能變化的一個(gè)原因。對(duì)于大批量生產(chǎn)的毫米波電路，銅厚度變化可能造成不同電路間的插入損耗和相位響應(yīng)的變化。GCPW電路和大部分具有耦合電路特性的電路都可能受電路材料的銅厚度變化的影響。

幾年前我們做了一個(gè)研究，材料基于10mil碳?xì)錁渲牧希ピu(píng)估不同厚度的銅厚上電路的性能變化，其中介質(zhì)材料均為同一批次相同的材料以減小介質(zhì)本身變化產(chǎn)生的影響。首先將24 x18"（610 x 457mm）的一張電路材料板切成兩半，各自分別采用薄銅電鍍層和厚銅電鍍層加工。在每個(gè)被分切后的板上都加工制作相同的電路，包括微帶線電路、緊耦合和松耦合GCPW傳輸線電路等。電鍍銅層較薄的電路的總銅厚度為1 mil，而較厚的電路的總銅厚度為3 mil。當(dāng)然，3 mil的銅厚度差在大批量生產(chǎn)過程中發(fā)生的概率非常小，這里僅為體現(xiàn)厚度變化帶來的差異。

在這些不同電路中，單端微帶傳輸線電路性能在薄銅電路和厚銅電路之間的差異很小。厚銅電路的插入損耗和有效Dk值略比相同的薄銅電路小一點(diǎn)。厚銅電路的導(dǎo)體在空氣中產(chǎn)生較多邊緣場(chǎng)，而造成有效Dk值略微下降和插入損耗略微降低。但是在毫米波頻率下，使用較厚銅的微帶傳輸線電路可能產(chǎn)生更多的干擾問題，這是因?yàn)樵谠撔〔ㄩL(zhǎng)下較厚導(dǎo)體的表面波增加。

相反，在緊耦合的單端GCPW傳輸線電路上銅厚產(chǎn)生了顯著差異（見圖5）。這里各個(gè)電路根據(jù)信號(hào)導(dǎo)體寬度（w）和導(dǎo)體與相鄰地層之間的間距（s）來命名。例如信號(hào)導(dǎo)體寬度為18 mil、間距為6 mil的緊耦合電路被命名為w18s6，松耦合電路的尺寸為w21s10。

圖5：截面圖顯示了GCPW電路尺寸，其中左圖是薄銅電鍍電路，右圖是厚銅電鍍電路。

與使用較薄銅導(dǎo)體的GCPW電路相比，較厚銅導(dǎo)體的GCPW電路會(huì)在空氣中存在更多電場(chǎng)，而且，較厚的銅導(dǎo)體電路的導(dǎo)體更容易產(chǎn)生梯形形狀而不是矩形形狀。而導(dǎo)體形狀的不同也會(huì)影響電場(chǎng)特性，而會(huì)影響毫米波性能。

圖6顯示了實(shí)測(cè)的薄銅導(dǎo)體和厚銅導(dǎo)體的緊耦合與松耦合GCPW傳輸線電路的插入損耗對(duì)比。電路確保了在頻率范圍66GHz到68GHz所有電路的回波損耗都優(yōu)于15dB，排除了由于回波損耗產(chǎn)生的影響。可以看到，導(dǎo)體寬度為21 mil、間距為12 mil的厚銅導(dǎo)體GCPW電路（w21s12）的插入損耗最低。這是因?yàn)樗捎诤胥~導(dǎo)體的原因在空氣中存在較多電場(chǎng)；空氣的損耗最小，且導(dǎo)體寬度較大，導(dǎo)體損耗降低，從而整體的插入損耗最小。導(dǎo)體寬度為18 mil、間距為6 mil的薄銅導(dǎo)體GCPW電路（w18s6）的插入損耗最高。這是因?yàn)樗诳諝庵械碾妶?chǎng)比例最低，且使用較窄的信號(hào)導(dǎo)體，使導(dǎo)體損耗增加而總體的插入損耗最大。

圖6：薄銅和厚銅導(dǎo)體的松耦合（w21s12）和緊耦合（w18s6）GCPW電路的插入損耗比較。

還可以用在不同頻率下測(cè)得的相位角，針對(duì)相位響應(yīng)對(duì)電路有效Dk進(jìn)行評(píng)估。不同長(zhǎng)度的傳輸線其相位角延時(shí)不同，在某一頻率下長(zhǎng)度差與相位角延時(shí)差關(guān)系是一定的。通過差分相位長(zhǎng)度法可以確定每個(gè)電路的有效Dk值。在這種測(cè)試方法中，除了傳輸線的實(shí)際長(zhǎng)度不同以外，兩個(gè)完全相同的電路將被測(cè)量從而獲得相位角差。這兩個(gè)電路是在同一張電路材料板上并排臨近的電路，從而確保了介質(zhì)和銅箔特性完全相同，這樣相位差反映出的有效Dk值就是材料本身的特性。有效Dk值的計(jì)算可以用一個(gè)相位角差和物理長(zhǎng)度差相關(guān)聯(lián)的公式計(jì)算而得。

如圖7所示，有效Dk值最低的GCPW電路是導(dǎo)體寬度為18mil、間距為6 mil（w18s6）的厚銅導(dǎo)體的電路。由于電路是緊耦合，電路在耦合區(qū)域（空氣中）的電場(chǎng)增加。較厚的銅導(dǎo)體使電路具有較高的耦合導(dǎo)體側(cè)壁，因此在空氣中存在更多電場(chǎng)，從而進(jìn)一步了降低有效Dk值。有效Dk值最高的GCPW電路是導(dǎo)體寬度為21 mil、間距為12 mil（w21s12）的薄銅導(dǎo)體電路，這是因?yàn)樗目諝庵械碾妶?chǎng)分布較少。

圖7：薄銅和厚銅導(dǎo)體的緊耦合（w18s6）和松耦合（w21s12）GCPW電路的有效Dk值比較。

因?yàn)樵S多毫米波電路（例如5G小基站和雷達(dá)系統(tǒng)）依賴于保持一致的、準(zhǔn)確相位響應(yīng)，所以在應(yīng)用頻率范圍內(nèi)，將相位角偏差保持在可接受的范圍內(nèi)至關(guān)重要。例如如前所述，對(duì)于77GHz雷達(dá)，其電路的總相位角延時(shí)可能上千度，因此50°或（±25°）相位偏差范圍可能是可接受的。取決于不同的設(shè)計(jì)，一些雷達(dá)系統(tǒng)可能允許較大的相位偏差，然而一些系統(tǒng)可能需要不超過±10°的相位偏差。PCB的設(shè)計(jì)人員和加工板廠工程師們應(yīng)牢記電路材料特性和PCB生產(chǎn)工藝對(duì)電路相位響應(yīng)帶來的影響，尤其是在短波長(zhǎng)的毫米波頻率電路中。例如，圖7所示的有效Dk值變化0.1轉(zhuǎn)化為67GHz頻段的相位角變化約60°。這個(gè)相位角的變化主要是由電路銅厚度變化造成的，而其它的一些變量，包括介電材料厚度變化、Dk變化和表面處理等，也影響相位角變化。在GCPW中，最終銅厚度變化會(huì)明顯影響電路耦合特性從而影響相位。而微帶線電路受銅厚度變化影響較小，從這方面來說用于毫米波頻率的信號(hào)傳輸更優(yōu)。

通常，也需要評(píng)估電路最終表面處理對(duì)插入損耗的影響。在毫米波頻率下，表面處理對(duì)電路的相位角響應(yīng)起著重要影響。通常，表面處理對(duì)性能的影響將取決于電路類型，例如單端電路或耦合電路，以及趨膚深度在不同工作頻率下的影響。

圖8數(shù)據(jù)顯示了表面處理如何影響微帶傳輸線電路的插入損耗。測(cè)試電路選用了壓延銅以減小銅箔粗糙度帶來的影響，分別使用厚度不同的化學(xué)鎳金（ENIG）表面處理來比較電路的損耗變化。ENIG工藝通常使鎳層有一定的厚度變化，而這種變化可能影響毫米波頻率下電路的插入損耗和相位響應(yīng)。

圖8：將裸銅電路作為參考電路，比較不同的鍍鎳層厚度帶來的微帶傳輸線電路的插入損耗差異。

圖8中的電路結(jié)果也展示了最終表面處理的邊緣效應(yīng)。微帶線電路的射頻電流和電場(chǎng)主要集中在信號(hào)導(dǎo)體的左右邊緣上。當(dāng)高頻電路導(dǎo)體邊緣被涂上導(dǎo)電性能不如銅的金屬時(shí)，導(dǎo)體損耗將增加，從而使電路的總插入損耗增加。然而，在導(dǎo)體結(jié)構(gòu)包含四個(gè)邊緣的GCPW電路中，其表面處理層的影響將大于包含兩個(gè)導(dǎo)體邊緣的微帶線電路。圖9數(shù)據(jù)顯示了緊耦合GCPW電路的測(cè)試結(jié)果，可以看出GCPW受表面處理層的影響程度明顯高于圖8所示的微帶線電路。

圖9：將裸銅電路作為參考電路，比較GCPW傳輸線在不同鍍鎳層的電路的插入損耗差異。

圖8和圖9中的參考電路均是沒有使用任何表面處理的裸銅電路，與帶有表面處理層的電路進(jìn)行比較。電路設(shè)計(jì)人員通常利用材料的特定參數(shù)（如Dk, Df）進(jìn)行設(shè)計(jì)和仿真，但仿真電路是不包括表面處理層對(duì)模擬電路的影響。這些表面處理層的影響可能很難在軟件中建模和仿真，但是它們對(duì)微帶電路和GCPW電路的插入損耗的影響，隨著頻率的升高越加明顯。

圖10數(shù)據(jù)顯示了PCB表面處理是如何影響70-80GHz緊耦合GCPW電路的有效Dk值，以及因此產(chǎn)生的相位角響應(yīng)變化。薄鎳鍍層和厚鎳鍍層的電路的有效Dk值相差0.02左右。與微帶線電路相比，由鍍層厚度差造成的緊耦合GCPW的有效Dk值差異較大，這意味著鍍層厚度變化會(huì)給GCPW電路造成較大的相位角響應(yīng)偏差。0.02的有效Dk值差轉(zhuǎn)化70至80GHz的相位角差大約為60°。對(duì)于需要相位一致性能的許多毫米波應(yīng)用，包括雷達(dá)系統(tǒng)和5G NG蜂窩無線網(wǎng)絡(luò)，這種大相位角偏差可能是很嚴(yán)重的。

圖10：將裸銅電路用作參考電路，比較不同鍍鎳厚度的ENIG對(duì)GCPW傳輸線電路的有效Dk值的影響。

為了盡量減少表面處理層在較高頻率下的插入損耗和Dk的影響，大部分毫米波電路避免使用ENIG，因?yàn)镋NIG的鎳鍍層厚度變化可能造成顯著和廣泛的相位角變化。作為低損耗替代方法，沉錫（ImSn）和沉銀（ImAg）方式更常用于毫米波PCB。此外，一些損耗低、貯藏壽命長(zhǎng)的有機(jī)保護(hù)膜（OSP）也被用于毫米波頻率電路。ImSn會(huì)在一定程度上增加些許毫米波電路的插入損耗和帶來相位角響應(yīng)變化，但是因?yàn)殄儗臃浅１。耘cENIG相比，其厚度變化小，對(duì)毫米波電路的插入損耗和相位響應(yīng)的影響也更小。

圖11所示數(shù)據(jù)顯示了從低頻到70GHz的沉錫厚度對(duì)損耗影響。這里我們所測(cè)試的數(shù)據(jù)是到110GHz，是因?yàn)?0GHz以上電路的回波損耗較差，插入損耗存在一定的波動(dòng)，因此這里并沒有顯示，但趨勢(shì)是相似的。在70GHz時(shí)，采用薄ImSn和厚ImSn鍍層的微帶線電路的插入損耗相差0.12dB/in左右，明顯小于在同頻率下（由圖8所示）ENIG厚度變化引起的微帶線插入損耗變化。同樣，在70GHz下該ImSn鍍層厚度的變化帶來的微帶線電路的相位角差略小于3°。

圖11：比較ImSn表面處理厚度變化對(duì)微帶線電路損耗的影響，使用5mil 低損耗，壓延銅電路材料。

電路導(dǎo)體形狀

由于毫米波電路的波長(zhǎng)小的特征，電路導(dǎo)體的蝕刻也必須更準(zhǔn)確且可重復(fù)。不管是對(duì)耦合類電路（例如GCPW）還是微帶線電路，電路導(dǎo)體應(yīng)盡量做成理想的矩形形狀，應(yīng)減少梯形導(dǎo)體形狀。導(dǎo)體形狀在較高的頻率下會(huì)產(chǎn)生更大的影響，相比對(duì)24GHz的電路，導(dǎo)體呈梯形狀更易影響77GHz下電路性能。另一方面，導(dǎo)體梯形狀對(duì)較窄導(dǎo)體的影響比對(duì)寬導(dǎo)體的影響大。通常，用于77GHz的電路以較薄的厚度層壓板為主（例如4mil或5 mil厚層壓板），以避免出現(xiàn)不必要的高次模傳播。這樣，其設(shè)計(jì)的傳輸線的信號(hào)導(dǎo)體更窄，導(dǎo)體梯形狀會(huì)更加明顯，從而易產(chǎn)生對(duì)性能的影響。相比較而言，在較低頻率下（例如24GHz），通常使用較厚層壓板，設(shè)計(jì)的傳輸線的導(dǎo)體線寬更寬，導(dǎo)體梯形狀程度相對(duì)小，對(duì)性能的影響較少。

梯形狀導(dǎo)體的變化在大批量產(chǎn)品中可能因電路邊緣場(chǎng)的變化而造成GCPW和微帶線電路性能變化。由于或多或少的邊緣電場(chǎng)會(huì)在空氣中傳播，所以空氣的低Dk特性會(huì)改變?cè)O(shè)計(jì)電路的有效Dk值。例如，在具有明顯梯形狀的導(dǎo)體中電磁波在空氣中的電場(chǎng)較少，這樣，與設(shè)計(jì)的理想矩形導(dǎo)體相比，由空氣的Dk值比重較低而造成的整個(gè)電路有效Dk值增加。電路間導(dǎo)體形狀變化的影響也可用相位角響應(yīng)變化表征，特別是對(duì)毫米波電路對(duì)相位更加敏感。而且，這種影響耦合電路（例如GCPW）大于對(duì)微帶線電路（見圖12）。

圖12：這些橫截面圖顯示了GCPW導(dǎo)體形狀差異是如何影響電路的電場(chǎng)，其中上圖是矩形導(dǎo)體，而下圖是梯形導(dǎo)體。

由于使用厚鍍銅，或因?yàn)樵诳焖傥g刻工序中，應(yīng)被蝕刻掉的銅不足而不能形成較理想的矩形導(dǎo)體形狀，容易被加工成梯形狀。通常在大批量PCB生產(chǎn)中會(huì)使用的快速蝕刻工藝，導(dǎo)致導(dǎo)體的左右兩側(cè)邊緣上留有殘銅毛刺，這些可能在微帶線和GCPW電路中引起相位畸變。使用較薄銅箔的層壓板或鍍銅，和良好控制（盡管通常較慢）的蝕刻工藝，更有利于加工成矩形狀導(dǎo)體（若為矩形導(dǎo)體，則在大批量產(chǎn)品中的電路間相位角變化較少一致性更高）。

PCB生產(chǎn)中使用的防焊油墨（綠油）可能增加高頻電路的插入損耗和相位偏差，尤其是毫米波電路中，因此必須清除。例如，在高頻微帶線電路和GCPW的生產(chǎn)中，通常使用液態(tài)感光型（LPI）阻焊層。若微帶線電路導(dǎo)體的防焊油墨未能清除，則本應(yīng)存在于空氣中的電場(chǎng)出現(xiàn)在防焊油墨中，從而導(dǎo)致電路的插入損耗和相位角變化。對(duì)于GCPW等耦合電路，導(dǎo)體上的防焊油墨的影響造成插入損耗和相位響應(yīng)的更為嚴(yán)重。

取決于不同信號(hào)頻率和波長(zhǎng)，因盡可能的少使用防焊油墨，但如某些地方必須用時(shí)可以使用焊壩的方式，從而減少影響毫米波電路性能。在電路阻抗異常的情況中，防焊油墨通常不會(huì)影響電路超過工作頻率十分之一波長(zhǎng)的部分。反過來說，例如，對(duì)于77GHz電路，十分之一波長(zhǎng)大約為10 mil。在低頻率時(shí)阻焊塊遠(yuǎn)大于10mil處對(duì)電路性能不產(chǎn)生任何影響。又例如，24GHz的十分之一波長(zhǎng)是33 mil左右，具有該長(zhǎng)度的阻焊塊也不會(huì)具備諧振條件，不會(huì)影響電路的傳播特性。

眾所周知，基板-銅箔交接處的銅箔表面粗糙度會(huì)影響電路在毫米波頻率下的相位響應(yīng)。還有一點(diǎn)，PCB生產(chǎn)中使用的銅箔也有一定的粗糙度變化，不同張銅箔甚至同一張銅箔中，銅箔的粗糙度也會(huì)有差異，從而對(duì)毫米波電路的相位造成影響。例如，某一ED銅的平均銅箔表面粗糙度是2μm RMS（也稱為“Rq”或“Sq”），但其變化范圍可能在1.7和2.3μm之間。在毫米波頻率下，基于該變化的銅箔表面粗糙度的電路的相位響應(yīng)和插入損耗將出現(xiàn)明顯變化。

銅箔是電路材料供應(yīng)商生產(chǎn)的層壓板的重要部分，也是PCB加工商生產(chǎn)PCB的重要部分。通常，表面光滑的銅箔其表面粗糙度的變化更小，它產(chǎn)生的相位響應(yīng)變化更少。壓延銅是一種表面粗糙度非常光滑、變化較小的銅箔，其平均表面粗糙度為0.35μm RMS（遠(yuǎn)小于ED銅的平均表面粗糙度2μm RMS），對(duì)電路的相位響應(yīng)影響非常小。同時(shí)，因其表面非常光滑，導(dǎo)體損耗也非常低，與ED銅箔相比，壓延銅非常有助于減少電路的插入損耗特性。

總之，由于波長(zhǎng)小的原因，毫米波PCB的性能取決于電路特征的精密加工和電路元件的精度，加工精度容差變化帶來的相位變化等。從自動(dòng)駕駛車輛的雷達(dá)傳感器到5G無線網(wǎng)絡(luò)，越來越多的應(yīng)用將依托于毫米波信號(hào)和PCB電路，無論是雷達(dá)目標(biāo)檢測(cè)（為了防撞目的），還是相位調(diào)制通信，相位精度對(duì)于這些應(yīng)用來說都非常重要的。

PCB電路的相位性能可能受許多設(shè)計(jì)和加工變量的影響，包括基板Dk變化、銅箔粗糙度變化、厚度變化、鍍銅層厚度變化、最終表面處理鍍層變化、蝕刻一致性、導(dǎo)體梯形狀變化、電路材料的吸濕性、和電路材料的Dk溫度系數(shù)（TCDk）等等。對(duì)于GCPW電路，連接上下地層的PTH的位置變化也可能造成毫米波相位響應(yīng)變化。當(dāng)PCB電路用于需要寬頻帶的毫米波頻率范圍時(shí)，無鉛回流焊接工藝的一致性和最終表面處理的選擇也可能影響PCB電路的相位和損耗一致性。

注釋

1、對(duì)于毫米波頻率下的薄和厚的不同厚度微帶線電路插入損耗，圖3所示的試驗(yàn)結(jié)果模擬比較了它的不同組成部分。

2、研究顯示了基于10mil厚RO4350B電路材料的GCPW電路的銅厚度變化。

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