【经验】了解不同GCPW制造工艺对电路材料的影响，建立生产性能公差，实现毫米波ADAS电路量产

时间： 2020-07-31 来源：ROGERS

技术问答

随着较低射频和微波频率下的带宽变得拥塞，越来越多的无线应用正在向毫米波（mmWave）频率移动。对于第五代（5G）无线蜂窝电话和高级驾驶员辅助系统（ADAS）之类的应用，24 GHz或更高的带宽能够适用。但是信号功率会随着频率的增加而降低，毫米波电路技术必须在最大程度地利用可用信号功率的同时，努力将信号损失降至最低。在毫米波电路中保持信号功率不仅取决于印刷电路板（PCB）材料，而且还取决于传输线技术的选择。在这些频率下，接地共面波导（GCPW）传输线与低损耗的PCB材料配合使用时，如果可以提前想到电路设计和制造工艺带来的任何性能变化，则能够具有出色的性能。

与其他高频传输线技术（例如带状线和微带）相比，GCPW电路技术具有优势，尤其是在毫米波频段。GCPW构造简单，单一介电层夹在顶侧地面-信号-地面（GSG）传输线和底侧接地层之间，并且接地层通过电镀通孔（PTH）互连。尽管与具有顶部导体、介电层和底部接地层构造的微带相比，GCPW的构造并不简单，但比具有顶部和底部介电层的电介质条状线的导电传输线更简单。与GCPW相比，微带线的构造简单是建立在增加毫米波频率下的损耗基础上。相较于GCPW电路，微带电路在毫米波频率上也更有可能辐射信号能量，特别是在紧密间隔的电路和外壳中，存在潜在的干扰和电磁兼容性（EMC）问题。

尽管如此，GCPW技术的成功应用还需要了解制造的PCB性能水平与商用计算机辅助工程（CAE）软件工具预测的GCPW电路设计的接近理想水平的性能有何不同。一些因素可能会导致软件预测和GCPW电路所实现的结果之间存在差异，尤其是对于大体积毫米波电路设计而言。

甚至在电路制造之前，PCB材料的微小变化也会影响GCPW电路的性能，尤其是在毫米波这样的短波长下，这些波长对这些变化非常敏感。例如，电介质材料的厚度和导电材料厚度的变化会导致毫米波频率下的GCPW性能变化。铜导体表面的粗糙度也会影响GCPW性能，任何其他镀层（例如用于制造GCPW电路的PTH）的变化也会影响GCPW。

工艺变化

假设GCPW传输线技术非常适合在毫米波频率下生产一致的PCB，则它仍必须与具有严格控制的特性（例如介电常数（Dk）和耗散因数（Df））的电路材料配合使用。同样，毫米波电路必须通过可重复的工艺制造，以便在大批量生产时保持良好的一致性。工艺差异可能是不同形式的PCB性能差异的原因。例如，作为性能变化的原因之一，用于连接GCPW电路中两个接地层的PTH的位置可能因电路而异。

GCPW导体的形状可能因电路而异，从而导致所制造的GCPW电路之间的性能差异。CAE仿真软件程序对给定电路设计进行性能水平预测时，通常假设导体的形状是理想的矩形（从横截面视图看）。但是大多数GCPW电路是用梯形导体制造的，在不同电路之间，导体之间也会有一些变化。这些导体变化会导致GCPW电路的电气性能变化，特别是插入损耗和信号相位角，这些变化的影响会随着频率的增加而增大。

导体形状的差异，从实际到理想，都会导致由梯形导体制造的电路所达到的性能水平，与计算机仿真程序基于理想矩形导体形状所预测的性能水平之间存在差异。由于毫米波频率的短波长频率敏感性更高，这些理想的GCPW导体形状预测的是接近理论上的电路有效介电常数(Dk)最小值和相关的相位响应，与GCPW传输线制造工艺使用梯形导体产生的有效Dk和相位角明显不同（后者更真实）。标准的PCB制造工艺面临一个难题：电路特征的常规变化，会导致电路之间的性能变化。

根据GSG配置中侧壁间隔的紧密程度，GCPW电路可以具有不同的耦合量，线间距越近，产生的耦合越紧密。与松散耦合的GCPW传输线相比，紧密耦合的GCPW电路在共面导体的侧壁上具有更大的电流密度。耦合非常松散的GCPW电路对电路制造工艺的变化不像紧密耦合的GCPW电路那么敏感。但是，与紧密耦合的GCPW电路不同，它们没有获得额外接地的优势，其表现非常类似于微带电路。

对于选定的用于毫米波应用的GCPW电路生产材料，例如ROGERS Corp.的RO3003™层压板（z轴的Dk为3.00±0.04，在10 GHz时的Df为0.0010），铜介质分界面处铜表面的粗糙度将会影响由该材料制造的电路的性能，特别是在较高的频率（例如毫米波频率）和更薄的电路上。较粗糙的铜表面将导致这些电路的插入损耗增加和信号相速度降低。导体插入损耗也将受到铜导体的相对宽度以及厚度的影响。较宽的导体将表现出较小的损耗，而较厚的铜将导致GCPW传输线使用更多的气体（其单位Dk值较低），从而降低传播损耗。电路材料Dk值较高也会使得相速度较慢。

电镀计划

制造任何类型的GCPW电路都涉及电镀PCB材料，例如在PCB铜层的顶部镀一层铜，并在该材料上镀通孔以形成顶部和底部接地层之间的导电路径。还可以在GCPW电路上执行电镀，以形成最终的电镀层并保护导电铜，并且所使用的大多数金属的导电性均低于铜，但这会增加导体损耗并导致插入损耗增加，这是必须要预料到的。最终的镀层表面也会影响相位响应。

模拟性能水平和制造的毫米波GCPW电路的测量水平之间的差异应该提前预料到。成功实现毫米波GCPW电路大批量生产的关键之一是通过评估某些材料特性和某些电路特征，提前将变化最小化。通过了解成熟的电路材料（例如RO3003层压板）如何受到不同GCPW制造工艺的影响，可以建立有意义的生产性能公差，从而实现即使对于77GHz的毫米波ADAS电路也可以达到高产量。

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