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PCBニュース - 5 G用途向けPCB基板のめっきスルーホール性能の評価

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PCBニュース - 5 G用途向けPCB基板のめっきスルーホール性能の評価

5 G用途向けPCB基板のめっきスルーホール性能の評価
2023-03-30
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Author:Sabrina      文章を分かち合う

5 G無線ネットワークは広い周波数帯をカバーするため、ミリ波周波数で5 G回路の回線基板材料に対して特別な要求を提出した。本文はPCB基板材料の最上層銅箔と下層銅箔の間の伝道輸送信号に用いられる金属化ビア内壁の外面仕上げが材料の最後の無線周波数性能に与える影響を検討した。


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第5世代無線ネットワークは現代通信の実現に成功した最も重要な技術業績の一つとされており、5 G技術は6 GHzより低い信号周波数を使用するだけでなく、短距離回送、高速数値リンクのミリ波周波数にも有用である。このような広い周波数範囲の回路需要には特別な回路基板材料を使用する必要があり、ロジャーズ企業のRO 4730 G 3回路基板材料は多くの回路プリセットエンジニアの選択になり、無線周波数からミリ波周波数までの特別な優れた性能を備えている。しかし、この積層板材料と従来の回路材料との違いは、材料が中空微小球を媒体とする補充材料を用いていることであり、この違いは回路プリセット者の懸念を引き起こしている。


微小球の存在により、回路 基板加工構造の外観、例えば、1つの導電層から別の導電層への金属化ビア(PTH)は、このような特別媒介フィラーを使用するのに適していない従来の配線板材料よりも、形成された金属化ビアを製造するのに繊細ではないように見える。このように見えるかもしれないし、何か他の心配があるかもしれないが、やはり適切だと思って中空微小球フィラーを使用している配線板は、金属化された孔を作る際に孔壁が非常に繊細ではない。しかし、一連の検討により、無線周波数でも5 G無線ネットワークのミリ波周波数でも、中空微小球充填剤が金属化ビアに与える影響は完全に外観上のものであり、回路の性能や金属化ビアの信頼性に影響を与えることはないことが明らかになった。


比較的異なる金属化ビア

すべての回路金属化された穴壁の外観のテクスチャには小さな違いがあり、同じ回路基板の穴壁の外観の光沢度を比較しても同じである。ドリルプロセスには複数の要素が関与しているため、金属化された穴の壁の外観は穴によって異なります。微小球充填剤を備えた材料では、ドリルが微小球充填剤に影響を与える可能性があり、できない可能性があるため、差が芽生えている。ドリルが中空球面立体に衝突して破砕されると、このビアの銅めっき層は破砕された球面立体の概略輪郭に沿って成長し、ボア壁の外観は滑らかで凹凸がなくなる。図1は、回路基板中の微小球フィラーの存在がどのようにこの回路材料の金属化ビア形成に影響するかによる外面仕上げの増加を示している。私たちは、金属化された穴がより滑らかな外見をしている従来の回路材料と相形成されており、このような清浄度が回路の電気性能や信頼性に悪影響を与えるのではないかという疑問を自然に抱くことができます。


5 G無線ネットワークにおける広範な周波数範囲の高周波回路材料の需要が日に日に高まっていることに伴い、中空微小球充填剤を備えた回路基板材料の中で金属化されたビア表面仕上げが回路性能に影響を与えるかどうかを理解することは非常に意義があり、伝統的な回路基板材料にはこの充填剤がないことから。一連の検討を経て、ロジャーズ企業からのガラス補強と微小球充填剤を備えた20.7 mil厚のRO 4730 G 3配線板材料とガラス補強がなく、より小さく非中空充填剤を備えた20 mil厚のRO 4730 G 2材料上の孔壁の違いが影響を与えるかどうかを比較した。穴壁の表面仕上げに影響があるかどうかをテストするために、回路基板上の金属化された穴が5 G幅の周波数範囲にあることを比較するために、さまざまなテスト回路を開発しました。


試験回路はすべてマイクロストリップ伝送路構造に基づいており、回路の中腹部に貫通孔があり、媒体基板材料の頂部銅層から端部銅層への導体と信号遷移として使用される。試験回路の長さは基本的に2インチ程度である。また、他の高周波伝送路技術を参考にして、信号スルーホールのない8インチと2インチの長さのマイクロストリップ回路、8インチと2インチの長さのスルーホールのない接地共面導波路(GCPW)回路を含む金属化されたスルーホール壁の外観仕上げに影響があるかどうかを評価した。測定時の完全な同一性を保証するために、試験は同じ2.4 mmの同軸連署器2つを全回路の試験に用いた。そして、テスト連署器は常に同じ形でVNAのテストポートに連署し、位相の完全な同一性を維持する。



図1に示すプリント配線基板(PCB)の顕微鏡像のプリセットを検討する習性がある人は、特に5 G回路の高周波数では金属化ビアの仕上げが影響を与えることを懸念する可能性がある。一般的に、微小球を用いて補充しない従来の高周波回路材料にとって、繊細ではない孔壁の外見は、製作過程でいくつかの問題が現れ、孔通過の信頼性に影響を与える可能性があることを意味する可能性がある。しかし、中空微小球に補充された回路材料は、外見が繊細ではない金属化されたビアを形成するのが正常であり、これはその性能差を代表するものではない。このような回路材料中の繊細ではない金属化ビアがビアの信頼性と電気性能に影響を与えないことを確認するために、我々は新しい材料(繊細ではない金属化ビア)とより伝統的な回路材料(より滑らかな金属化ビア)を検討比較して、この材料を5 G無線ネットワーク回路プリセットとその他のミリ波周波数範囲の回路に応用することによるいかなる疑問も解消する。

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図1.微小球フィラーのない回路材料と相形成されており、中空微小球フィラーを用いたRO 4730 G 3回路材料は、細孔壁の外面に金属化されたビアを形成する可能性がある。


我々は金属化ビア及びその孔壁の外観が高周波回路性能に与える影響を評価する前に、RO 4730 G 3回路基板及びその微小球充填材に対して広範な評価を行い、異なるオフィス条件下での彼らの特別な性質を十分に理解した。10層高加速熱衝撃(HATS)/金属化ビア(PTH)の信頼性、両面PTHの信頼性、両面PTH-PTH導電性アノードワイヤ(CAF)抵抗、最も簡単な面-最も簡単な面CAF抵抗、MOTと外観-外観貼付(SMT)試験、絶縁抵抗、金属化ビア品質などを含む一連の材料試験検討を実施した。すべての試験により、材料はその微小球充填剤内の業界標準試験条件の下で問題なくこれらの試験を通過したことが明らかになった。本論文の重点は、無線周波数、マイクロ波、ミリ波周波数でこの材料を使用して芽生える可能性があるかどうかを紹介することである。


事の真実の情況の上で、このような配線板材料に対してその微小球充填剤を考えて実施した複数の検討テストの中で、その中で私達は2種類の異なる金属化孔壁特徴標識を備えた材料を利用して、金属化孔壁の外観の光沢度の変動がRF性能に与える各種の影響を比較することを検討した。検討テストは特別に予め設定されたマイクロストリップ伝送路回路に基づいており、最上階と下層にマイクロストリップ線回路があり、中腰媒介は媒介材料であり、金属化ビアを経て最上階から終端階までのマイクロストリップ線の連署を実現することに成功した。これらのテストは、このテスト回路が100 MHzから40 GHzの範囲で満足できる無線周波数性能を備えているため、5 Gアプリケーションに非常に有意義な数値参照を提供することを目的としている。


この検討試験で用いた2つの材料の誘電率(Dk,またはεr)はいずれも非常に近く、その値はすべて3近傍にある。2つの材料も同じ厚さの材料を備えており、いずれも20 milである。両者の主な違いは、その中の1つが穴壁の外見を滑らかにすることができる金属化された穴を作ることであり、もう1つの製造で得られた金属化された穴壁の外見は繊細ではないことである。つるつる金属化された穴あき壁の外観を形成する材料を製造することができるのはロジャーズ企業のRO3003 G 2?ガラス補強材と中空微小球フィラーを備えたRO 4730G 3?配線板の製造によって得られた金属化ビア壁の外観は比較的繊細ではない。

回路金属化ビア壁の外観のテクスチャの違いは、材料の問題ではなく、回路製作の問題として一般的に考えられている。しかし、1点の材料の特別な性質は、回路材料フィラータイプ、フィラーサイズ、ガラス補強、天然樹脂タイプなどをカバーする金属化ビア壁の外観を最適化することができる。RO 4730 G 3配線板及びその中空微小球充填剤(繊細ではない金属化ビア壁の外面)として、比較したRO 3003 G 2配線板材料はガラス補強材料がなく、充填剤粒子も十分に小さい。どちらも適切だと考えて最適なPCB加工方法を使用すると、後者は非常に平坦で滑らかな金属化された穴あき壁の外観を持つことになる。図2に示すように、RO 3003 G 2配線板に形成可能な非常に滑らかな金属化ビア壁である。


同じ厚さの2つの回路材料について、図1と2に示す2つの材料の金属化ビアの表面仕上げの違いは明らかである。2つの図をよく見ると、金属化された穴の高い外観仕上げが無線周波数性能にどのような問題があることを意味しているのかという問題が芽生える可能性があります。テスト回路に対して、マイクロストリップ伝送路回路は滑らかで繊細ではない金属化されたビア壁の外観が無線周波数性能に与える影響を比較するための管用の方法であり、他の高周波伝送路の輸送路構造と相形であるため、マイクロストリップ線の加工製造過程における1点の変動が無線周波数性能に与える影響は小さい。


40 GHzでの異なる回路材料における金属化ビア供給に有意義な最終結果を与えるために、これらのマイクロストリップ回路を最適化するために数ある精神力を投入した。その中の1つは無線周波数テスト連署器からRO3003への信号遷移であり、大きなプリセットの挑戦である。一般的な状況では、20 mil厚の回路基板上のマイクロストリップ伝送路の信号遷移にエコーの良い特別な性質、特に25 GHz以上の周波数の伝送路が得られにくい。広帯域マイクロストリップ回路では、15 dB未満またはより良いエコー損失が一般的に受け入れられると考えられている。


スルーホール遷移は、特にミリ波周波数では、ある層から別の前線層への低消費電力遷移を成功させることは難しい、別の緊縮した需要思索問題の要素である。一般的に、20 GHzよりも高いマイクロストリップワイヤスルーホール遷移を実現するための20 mil厚の回路材料上の満足できる性能は困難である。しかし、上記のような困難な問題を考えると、本検討のマイクロストリップ先試験回路は、図3に示すように、周波数が40 GHzに達した場合にも満足できる効果を得ることを目的としている。



左側に示す「標準」マイクロストリップ線回路は、接地共面導波路(GCPW)構造を経て信号遷移の切り替えに成功したマイクロストリップ回路である。回路の本体はマイクロストリップ伝送路で構成され、GCPW構造は回路の末端で同軸(2.4 mm)連署器からマイクロストリップへの移行変換(Southwest Microwave企業の型番1492−04 A−5)に使用される。図3の右側の回路は、本検討のためのテスト回路の最上位と最下位の回路である。彼らは松結合の接地共面導波路であり、中腹部は金属化されたビアであり、最上階から終端層までの回路の遷移連署に供給されている。試験回路の長さは2インチで、緩く結合された接地共面導波路伝送路回路はマイクロストリップ伝送路回路と非常に類似した無線周波数性能を備えることになる。松結合は高い周波数で満足できる性能を備えており、40 GHzでの試験に非常に適応している。


ネットワークアナライザ試験、これは、周波数領域と時間領域をカバーすることなく、ネットワークアナライザテストによって得られた異なる回路であり、異なる壁外面テクスチャを備えた金属化ビアのSパラメータ変数の例である。


ベクトルネットワークアナライザによる測定の周波数領域と時間領域の最終結果図である。図右下のエコー損失(S 11とS 22)の2つのフラグは、異なる周波数におけるエコー損失値をそれぞれ表している。マーク2は40.7 GHzに位置し、この試験回路が満足できるエコー損失を備えた無上周波数である。反射波S 22のインピーダンスは図右上隅に現れ、反射波S 11のインピーダンスは図左下隅に現れる。S 11のマークが示すように、スルーホール変換におけるインピーダンス値、マーク1、2、3、回路は約48?のインピーダンスです。スルーホール遷移領域の範囲では小さいインピーダンス変動が測定でき、インピーダンス変動は未満、回路のRF性能にはほとんど影響しない。これらのテストの最後の結果から、回路は最上階から終端階までの信号が備える満足できるスルーホール遷移を感じることができ、同時に、40 GHzまでの満足できる挿入損傷性能(図左上隅に示す)を備えることができる。


同じ大きなPCBボード上で同じプリセットの回路を多く加工して製造し、正常な材料変動とPCB製造プロセスによる変動が前に進み続けることによる無線周波数性能の変動をよりよく理解するためである。我々は同時に2枚の大きなPCBプレート(プレート1とプレート2)を加工し、上頭粉と水を発酵させて作られた食品は複数のテスト回路を含み、この2つのプレートは同じ平面または物体表面の大きさの同じ回路材料から来ている。


より大きなプレートの材料原寸法は24×18インチ、2つの寸法に切断されていずれも12×18インチのスパナは、この2つの12×18の回路上では、材料の完全な同一性を維持することができる。選択された2種類の20 milRO3003 G 2と20.7 mil RO 4730 G 3材料のマイクロストリップ線試験回路の製造において、加工による影響を低減するために、適切であると考えられ、同じ回路加工製造プロセスとプロセスを使用した。


テストの最終結果の比較

回路材料の検討テストを経て、数の多いテスト数値を得て、各テスト回路の:挿入損傷、エコー損傷、インピーダンス、群遅延と位相角(図4に示す)などをカバーした。直通測量は、金属化ビアが回路性能に与える影響を確認する方法として用いられる。同時に測定によって回路のインピーダンスも得られたが、インピーダンスは金属化ビアが無線周波数性能に与える影響を反映する最適な指標とは思われなかった。マイクロストリップワイヤ回路(または分散結合された接地共面導波路)のインピーダンスは、媒体厚、導体幅、銅厚変動、媒体Dkなどのパラメータ変数に順次影響される。金属化された孔壁の外観による影響と相形であり、金属化された孔移行地域の範囲内のインピーダンスはこれらの変数の影響をより大きく受けることになる。上記の端由から出て、一緒に集まってインピーダンス値に到達させるが、インピーダンスは金属化された孔壁の外見が無線周波数性能に与える影響の判断には用いられない。


S 21の位相角は、金属化されたビア壁の外面変動によって引き起こされる回路無線周波数変動の気性であり、マイクロストリップ伝送路に沿った導体外面仕上げ度がこの伝送路伝送路を通過して信号に影響する位相角1、2である。直通測量は、スイッチングスルーホールを有する無線周波数信号経路に対して鋭敏である。テストの正確性と再現性を検証するために、その中の1つのテスト回路の上りへの再現性検討により、39 GHzで測定されたS 21位相角の標準差は±1.2度未満であることが分かった。試験に用いたS 21位相角はS 21の展開の位相角であり、それは-180度から+180度の位相角の完全値全体である。適切だと考えてこの方法を使用した方が有意義な点は、5 G応用において39 GHzの周波数に達しても、非展開位相変動弁白率に対してあまり鋭敏ではないことから、弁白率を増加させることにある。しかし、Dkが約3の配線板材料上の2インチ長のマイクロストリップ伝送路に対して、39 GHzでの展開位相角範囲は数千度に達することができる。この試験回路と測定案は適切な位相弁明率を供給できるからだ。

金属化された穴あき壁の検討では、集まった値を広くしていますが、ここでは最後の結果を少し共有することができます。例えば、図5は、同一のプレート上に製造された同一の6つの異なる回路を予め設定した数値を示し、参照としてスルーホール遷移のないマイクロストリップ伝送路と比較している。図5には、第2の基板上に製造された同じ6つの異なる回路のプリセット値も示す(この2つの基板は、最初は同じブロック24から×18の材料を切断して得られた)。試験の最後の結果は20 mil RO3003 G 2に基づいており、平滑で金属化された孔壁の外観を備えている。


RO3003G2

図5.S 21展開の位相角測定は、金属化ビアを含む2インチ長のマイクロストリップ伝送路回路である。配線板材料は厚さ20 milのRO3003 G 2であり、非常に滑らかな金属化されたビア壁の外観を得ることができる。


図5の回路IDは、回路がどの12から来ているかを示すことができる×18インチのマザーボード、およびそのボードの回路ID番号。例えば、P 1 C 4はプレート1から来ており、回路番号は4番です。電気回路あなたと私の間は互いに離れて平均的に12×完全な同一性を維持するために、18インチのボード上にあります。いくつかの変動は事前に予想されており、彼らは位相角の違いに非常に鋭い。いくつかの変動はPCB作製過程によるものであり、金属化過孔壁の仕上げ度の端由ではなく、導体幅の変動、銅めっき厚さの変動、ドリル品質の変動をカバーしている。また、PCBの正常な製作公差によって金属化された穴周りの縫い目にも少しの変動が見られます。同様に、各プレート上の微細材料の変動、例えばDk値の微細な変動は、位相の変動を引き起こす可能性もある。図5に示す試験値まで考えてみると、39 GHzでの位相数値の再現性標準偏差は±1.2度より小さく、これは非常に良い。


測量の1つの要素ではないが、RO 4730 G 3 TM回路材料のDk公差は±0.05の範囲内に維持されていることが非常に良い性能表現とされている。しかし、より高い周波数では、わずかなDk変動でも表面化することがある。例えば、39 GHzでは、0.05のDkシフトにより約15.3度の位相角変動が生じる。回路材料Dkが変動するため、±0.05の公差または0.10の全Dkオフセットに対して、39 GHzでの位相角が30.6度まで移動する可能性があります。図5の位相角変動数を考えると、この数字は良い参照意義を持っている。しかし、これらの金属化ビア評価である回路材料板はすべて同じ元の大板から来ているため、Dk変動による本検討での位相角変動は小さくなる。図6は、つるつる金属化ビア壁を備えた回路(図5のRO3003 G 2 TMからの繰返し試験値)と、不精細金属化ビア壁(RO 4730 G 3 TM)を備えた回路との比較最終結果を供給した。


RO3003G2 vs RO4730G3

図6.3つの重要な5 G周波数において、異なる基板上に製造されたマイクロストリップ伝送路回路の位相角差カウントの状況を比較した。左の値はつるつるした金属化された孔壁外表回路のテストの最後の結果であり、右の値は繊細ではない金属化された孔壁外表のテストの最後の結果である。


前述したように、検討の過程で、プレート1と2が同じプレート保証材料Dkから取った差が最小であるように、欠陥材料の変動による影響に尽力しています。この位相角の変動と現れたどのような違いも、主に回路製作過程の影響を受けているからだ。同一プレートの回路に対して最終結果の分析を行う場合、このときの位相角の差はPCB加工製作と材料変動の影響が最小であることから、同一プレートは絶対同時加工である。そのため、同じプレート上で複数の回路を検討することで、マイクロストリップワイヤ回路の金属化ビア品質を美しく理解することができる。PCBの製作過程は、予想以上に繊細ではない金属化された孔壁の外観をもたらす可能性もある。図6に示すように、各プレート上のS 21展開位相角には一定の変動があるが、2つの異なる材料上の回路位相変動を比較すると、この変動は実際には顕著ではない。


メタライズドビアウォール

図7.RO4730 G 3材料の最上層から終端層までの線路の金属化ビアウォール(比較的繊細ではない)の外観特徴標識と3つのミリ波周波数における位相測定の最終結果。


明らかに、測候顕微鏡像を経て、トップラインとボトムラインを接続するために使用される金属化された穴の外壁が非常に大きな違いを現す可能性がある。例えば、図2に示されているIDはP 1/C 1であり、20 mil厚のRO3003 G 2材料上に製造された回路金属化ビアであり、それは非常に滑らかな金属化ビア壁を持っている。図7 IDはP 2/C 6の回路金属化ビアの外観であり、厚さ20.7 milのRO4730G 3配線基板上のビアであり、この材料上の金属化ビア壁表の表情ペアは非常に繊細である。外観だけを見ると、このような金属化された穴あき壁の外観仕上げが無線周波数性能に影響を与えるのではないかという懸念が少し懸念される可能性がある。しかし、上述の面で述べたいくつかの検討によって明らかになったように、不精細さと滑らかな金属化ビア側壁との差は外見だけであり、少なくとも40 GHz下のこれらの試験回路に対して、無線周波数/マイクロ波/ミリ波性能に性能の影響を与えることを心配する必要はない。


本文に記載された情報は、平滑で滑らかな金属化ビアと繊細ではない金属化ビアの回路材料検討における集約された数値のほんの一部であることが必要であることが明らかになった。検討の目標は、金属化ビア壁の表面仕上げが無線周波数及びミリ波周波数性能に与える影響が小さいことを確認するためである。