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设计毫米波PCB要考虑的因素

Niels Kirkeby、Chong Mei和Tom Buck，TTM Technologies

在过去十年中，商业、工业、物联网、无线连接和一系列汽车雷达的应用已经发展到了毫米波（24-100GHz）。毫米波应用的这种快速增长创造了对带有毫米波电路的多层印制电路板（PCB）的需求。向毫米波的过渡给印制电路行业带来了许多挑战，主要是导体的几何形状和材料，因为较短的波长缩小了特征尺寸，放大了PCB制造过程中固有的相对容差。

控制生产成本可能是一项复杂的工程挑战。成本必须从一开始就被纳入电气设计中，因为材料、基材结构和PCB技术都是在这里确定的。像所有好的工程一样，目标是设计一个满足所有性能要求的产品，并有较高的产量，考虑到所有材料和制造容差，结果是在成本和性能之间进行平衡。

最后，在毫米波频率下，将信号传导到不同的层是一个难题。关于材料特性和制造方面的难题，我们展示了一个为毫米波PCB应用形成各种通孔结构的例子。我们介绍了一种简化通孔形成的表面安装交叉组件，它有几个额外的优点：它有利于快速改变结构，将信号传导到不同的层，解决对电气性能的影响。

PCB制造的挑战

毫米波的波长与PCB的几何尺寸是同一数量级的。成本是另一个增加设计复杂性的因素，因为许多新的毫米波产品是用于消费类应用，其基材生产量从几万到几百万件不等。

在其最简单的形式中，印制电路是使用照片成像和化学蚀刻工艺制造的。这是通过在铜箔层压板或多层层压板上钻电路孔实现的。钻孔后，面板被电镀，在钻孔和表面上形成铜层，大约有50微米的厚度。接下来，在表面涂上光阻剂，通过光罩用紫外线照射成像，并进行显影，以暴露出不需要的铜。暴露的铜被化学蚀刻，留下一个成品电路。

蚀刻到电介质也会横向蚀刻到导体的侧面，使该工艺一般不适合射频/微波应用。电镀铜和基片都必须被蚀刻以形成导体，从而导致不良的几何形状和不太理想的导体容差。

为了克服面板电镀的问题，大多数电路的制作采用了"图案电镀工艺"。不对整个面板表面进行电镀，而是在基础铜箔上施加光阻。然后，使用光罩或激光直接成像，将电路图案转移到抗蚀剂涂层的面板上。在成像和显影之后，基底铜箔上暴露的区域将被电镀，形成一个电路图案，铜也在钻孔中。为了保护电路图案和孔壁不受最后的蚀刻影响，锡被镀在电路图案的上面。接下来，光阻剂被剥离，背景铜箔被蚀刻，接着是锡条，产生一个成品电路。与面板电镀相比，图案电镀工艺提供了更好的几何形状和更严格的容差，因为只有底层箔需要进行化学蚀刻，最大限度地减少了改变导体侧壁的横向蚀刻（图1）。

工作频率为60-100GHz的毫米波结构需要改进天线贴片和嵌入馈线的导体容差和角半径。为了实现更严格的蚀刻容差，已经引入了几种技术：首先是通过化学研磨减少关键层的基础铜箔厚度。基础铜箔被减少到不到18微米，这减少了蚀刻时间并改善了导体的几何形状，最大限度地减少了对导体侧壁的蚀刻和蚀刻补偿。第二种方法是改良的蚀刻添加剂工艺（MEAP），它能实现更严格的容差和更高的分辨率。与铝箔还原工艺非常相似，MEAP利用了更薄的基底铜，然而，它使用先进的蚀刻技术，在蚀刻后产生极其均匀的铜几何形状（图2）。

另一个经常被忽视的因素是，由于更复杂的通孔结构，额外的铜箔厚度对导体的几何形状和容差都有影响。大多数先进的PCB结构不仅仅包括通孔。还有盲孔、埋孔、微孔和"焊盘上的孔"（VIPPO），这些都使电镀工艺复杂化。为了创造可靠的通孔，铜箔必须从电路图案表面沿着孔壁向下电镀，然后再回到表面。被称为"包裹式电镀"，铜镀层是连续的。由于所有三个表面都是同时电镀的，所以默认情况下，通孔会发生包覆电镀。盲孔和VIPPO的情况则不同。根据IPC-6012规范，面板电镀需要满足每个包覆电镀周期的最小厚度为5微米（图3）。

在毫米波结构中，几乎总是有一个或多个深度的VIPPO和/或盲孔。对仿真模型的影响是，基片现在有一个额外的铜镀层厚度，每个包覆周期至少5微米。额外的铜层厚度会影响导体的分辨率以及电气结构的容差。例如，增加VIPPO会增加一个包覆电镀周期，两个盲孔深度会增加两个包覆电镀周期，等等。这必须在设计过程中尽早解决。

为了保持准确的尺寸容差和克服铜的厚度变化，引入了第三种工艺。这种工艺是图案电镀和简单的铝箔印刷和蚀刻之间的一种混合。对于贴片天线和滤波变压器等电路图像来说，其概念是简单明了的：它们在基础铜箔上拍照成像，通常是18微米或更薄，然后进行蚀刻。蚀刻后的部分没有被电镀，具有纯铜箔蚀刻的优点，而且厚度容差只与基础铜箔有关。非关键位置和焊接位置用标准的图案电镀工艺（图4）。虽然这种工艺，即所谓的C²eT，会因额外的工艺步骤而增加成本，但它提供了更好的电气性能。

表1比较了这些PCB工艺技术的特点和能力。

仿真是设计过程中最重要的工具，它定义了可接受的容差，决定了导体形成、电介质材料和铜箔选择需要什么样的工艺技术。仿真对降低成本和故障分析至关重要，因为两者都是在虚拟环境中研究的，其结果比建造原型更快。

原材料的容差和变化

无论采用何种制造工艺，都必须考虑制造容差：包括原材料，如基材和铜箔，以及PCB制造工艺。除了批次与批次之间的差异和面板与面板之间的差异，容差通常被认为是全局性的，然而，它们也是局部的。基板的有效介电常数（ε_reff）因非均质电介质和铜箔而发生局部变化。结构本身也会影响结果。例如，通孔的位置会影响电镀的一致性，造成不均匀的电流，而几层复合的铜百分比的变化可能会产生局部的峰值和谷值，造成压制后有效基材高度不规则。印制电路板的制造引入了取决于方向的蚀刻/电镀流动模式的局部差异。

设计师关注的指标之一是设计对象的ε_reff。例如，考虑一个用于汽车的77GHz中远程雷达的PCB贴片阵列。仰角图案的倾斜度将根据ε_reff而变化（图5）。贴片天线串的介电常数变化1%，相当于0.74度的倾斜。

设计好的电路板的任何变化都可以通过构建一个或多个原型来优化。基板和PCB的制造容差是已知的，并控制在一个范围内，可以包括在仿真中，以实现设计的中心化。然而，这些控制可能与射频器件所经历的情况不完全相关。基板电介质是自己测量和控制的，铜箔是自己控制的，两者都是点取样。PCB制造是通过验证离散位置的具体尺寸来控制的。但是，一个面板内的关键参数的综合变化是什么？

为了评估这些影响，在一个典型的射频衬底上测量了一个16×16的环形谐振器网格，形成了ε_reff的详细分布图（图6）。平均为2.47，变化率为±1.4%。如图所示，在基材上制作的天线阵列可以位于面板上的任何位置和方向。虽然与整个天线相比，天线中的每个贴片都很小，但有效介电常数的变化范围取决于放置位置。了解整个天线阵列的平均ε_reff的变化可能更有用。这可以通过将天线放置在所有可能的位置和方向，并计算阵列下的平均ε_reff——最好包括重要的边缘场——来得出。在这个计算中，天线阵列重叠在45度，平均ε_reff是2.47，变化为±0.9%（图7）。

综上所述，一个小的元件，如77GHz的单个天线贴片的ε_reff的全部变化范围是2.47±1.4%，而整个天线阵列平均为2.47±0.9%。作为一个实体，天线阵列平均的变化明显较小。同样，所有发射（Tx）和接收（Rx）天线组合系统的ε_reff变化将进一步减少。局部变化是所有因素的产物，如铜箔和基材电介质的局部变化、PCB制造工艺和电路板结构。局部化、批次与批次之间以及面板与面板之间的变化和容差取决于所用的具体材料和工艺，但容差总是存在的。

从环形谐振器测量得出的介电常数可能不完全对应于天线或其他电路所经历的值。同样，任何测量都有一些容差和可重复性。在这个实验中，测量的可重复性被定为±0.3%。这里讨论的为毫米波贴片天线开发的平均数可能不能完全描述另一个毫米波电路的性能变化，尽管如此，这个例子说明了这些概念。

当设计一个射频系统时，必须选择制造工艺以适应系统需要，必须考虑材料和加工容差、批次与批次之间、面板与面板之间以及面板内部的容差。通常，还有其他的系统考虑因素可能会影响到制造工艺和由此产生的容差。例如，RFIC可以放置在PCB的天线一侧或相反一侧。

组件解决方案

使用通孔将信号传导到不同的层是非常普遍的。通孔结构的高阻抗带来的不匹配和通孔stub的寄生效应在毫米波中是非常重要的。通常需要减少stub和额外的匹配来进行补偿，使用全三维电磁（EM）仿真来验证性能。所有参数的制造容差应在设计初期考虑。

在许多频率高于60GHz的毫米波雷达中，必须防止通孔结构的辐射。一个密集的接地通孔环通常被放置在信号通孔周围，以提供接地屏蔽，将电磁场包含在一个准同轴结构内，并将辐射损失降到最低。然而，这些接地通孔可能会缩短线路，并阻断信号进出中心信号通孔的路线。图8显示了一个在汽车雷达中从底层到顶层传导76-81GHz信号的通孔结构及其PCB堆叠。中心信号孔周围的六个电镀通孔作为接地通孔。然而，它们在高频下不能提供足够的屏蔽，需要额外的两个埋入式通孔来关闭间隙，同时又不使导线短路。如果去掉这些埋地通孔，插入损耗和回波损耗就会明显上升（图9）。通孔过渡的容差研究见图10。它包括蚀刻的制造容差、通孔注册、通孔直径以及电介质材料厚度和介电常数的变化。考虑到所有的制造变化，容差研究有助于确保射频性能满足系统要求。

如前所述，埋入式通孔需要额外的层压、钻孔和电镀，而这些额外的工艺会大大增加制造成本。表面贴装（SMT）交叉组件可以应用于单层板，以达到同样的效果，减少制造的复杂性（图11）。在这个76-81GHz的汽车雷达中，在一个普通的单层叠加中只使用了电镀通孔和微孔。中心信号通孔和周围的接地通孔都是电镀通孔，微孔被放置在接地共面波导（GCPW）线的轨迹周围。隔离的信号通孔垫和GCPW线的末端没有被PCB上的布线所连接，它们被一个SMT交叉组件桥接在一起。将交叉器安装在顶层和底层，信号从底层的GCPW线传导到顶层的GCPW线（图12）。交叉器的尺寸约为2×1.27毫米，交叉器与通常用于这些应用的254微米、50Ω的GCPW线完美适配。由于交叉器使用类似的毫米波级PCB基材和相同的多层PCB制造工艺，因此SMT组件方法可以实现与匹配通孔解决方案相同的性能和制造工艺变化（比较图13与图10）。如果一块PCB上的这种信号转换的密度很低，那么组件解决方案可以通过降低板子的制造成本来抵消增加的组件成本，并产生总体价格优势。

总结

毫米波应用的快速增长使人们对含有毫米波电路的高性能多层PCB的需求不断增加。今天的毫米波结构要求可能超过PCB材料和工艺能力，因为原材料和制造工艺中相对较小的变化会降低毫米波结构的性能。通过在设计中纳入这些材料和工艺变化，可以在生产中实现预期的性能、可重复性和成本。

表1 工艺能力

图1 箔片削减和高级箔片削减工艺的侧向蚀刻厚度。

图2 标准图案电镀工艺和MEAP。

图3 VIPPO与包覆电镀的对比。

图4 C²eT工艺。

图5 77GHz天线阵列的仿真倾斜度与介电常数的关系。

图6 有效介电常数测量结果，在几个位置和方向上叠加了一个77GHz的天线阵列。

图7 77GHz天线阵列的平均有效介电常数，当放置在测量区域内任何地方45度时。

图8 76-81GHz层间过渡的通孔结构（左）和相关的PCB堆叠（右）。

图9 埋入式通孔的插入损耗和回波损耗比较。

图10 使用埋入式通孔的层间过渡的容差研究。

图11 使用SMT交叉组件的层间过渡的布局（左）和简化的PCB堆叠（右）。

图12 使用交叉组件的层间过渡的等距视图（左）和照片（右）。

图13 使用交叉组件的层间过渡的容差分析。