一种用于SIW天线的印刷电路板的制作方法

一种用于siw天线的印刷电路板
技术领域
1.本发明涉及印刷电路板技术领域，具体涉及一种用于siw天线的印刷电路板。


背景技术：

2.衬底集成波导(substrate integrated waveguide，siw)由上下两金属面和两侧周期排列的金属柱组合而成，两排金属柱相当于矩形波导的两个侧壁，电磁波在两排金属柱和上下两导体面组成的空间中传播。siw金属柱的周期性排列对电磁波的传播会造成一定的反射和能量泄露。在实际应用中，为防止siw的能量泄露，金属柱的半径r和间隔w通常满足以下条件：
3.r＜0.1λg，w＜4r，r＜0.2a，其中，λg为波导波长，
[0004][0005]
经hfss仿真验证，当金属柱间间隔满足w＜4r时，能量主要集中在两排金属柱之间传播，而在金属柱间和金属柱外面几乎没有能量的泄露。
[0006]
在现有的生产工艺中，77ghz毫米波雷达采用天线和基带做在一块印刷电路板上，印刷电路板第一层与第二层之间的介质层厚较大，如果采用机械钻孔的方式制作印刷电路板第一层到第二层的盲孔，则需要用到控深钻的工艺，控深钻的钻孔孔径与钻孔深度成正比，随着钻孔深度增大，钻孔孔径也越大，当印刷电路板的第一层与第二层之间的盲孔数量较多，不能满足siw关于金属柱的半径r与间隔w之间的约束条件时，会存在siw天线信号能量泄露的问题。并且机械钻孔的位置精度也比激光钻孔的位置精度略低，采用该工艺时第二层与第三层之间的介质厚度需要大于6mil，第二层与第三层之间的介质厚度过大不利于印刷电路板的对称性。因此，机械孔工艺不是最好的选择。
[0007]
考虑到金属孔对位精度，现有技术中一般采用激光钻孔制作印刷电路板第一层到第二层的盲孔，但是在板材厚度大于5mil时，采用激光钻孔制作的盲孔会呈现梯形孔效应。
[0008]
图1是本发明实施例提供的印刷电路板上的金属圆柱孔的示意图，图2是本发明实施例提供的印刷电路板上的金属梯形孔的示意图，在板材厚度不大于5mil时，激光钻孔得到的盲孔形状如图1所示为圆孔；在板材厚度大于5mil时，激光钻孔得到的盲孔形状如图2所示为梯形孔，其梯形上边与下边比例在70％
‑
90％之间，且所用板材厚度越厚，梯形孔效应越明显。
[0009]
梯形孔会恶化siw天线的多项性能参数的指标。图3是本发明实施例提供的具有金属圆柱孔的siw天线的s11仿真结果图，图4是本发明实施例提供的具有金属梯形孔的siw天线的s11仿真结果图，一般天线的工作带宽为76ghz
‑
77ghz，工作带宽内的s11数值要求小于
‑
15db。图3示出的s11曲线在频率取值范围为75.05ghz
‑
78.51ghz时，s11数值小于
‑
15db，工作带宽为3.5ghz，满足天线指标要求。图4示出的s11曲线在频率取值范围为77.9ghz
‑
78.9ghz时，s11数值小于
‑
15db，工作带宽为1ghz，相比图3收窄了约2.5ghz，且整体向高频
偏移，不满足天线指标要求。对比图3和图4的s11仿真结果可知，金属梯形孔使得siw天线的谐振频率向高频偏移，同时恶化了s11参数和系统的方向图，因此，金属柱呈现梯形结构，也会导致siw天线信号能量泄露。
[0010]
因此，有必要对现有技术加以改进以保证用于siw天线的印刷电路板的性能满足要求。


技术实现要素：

[0011]
本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明第一方面提出一种用于siw天线的印刷电路板，所述印刷电路板被配置为叠层结构，所述叠层结构的层数为2n，其中n为正整数；所述印刷电路板的第一层与第二层之间设置有多个第一盲孔，所述第一盲孔包括采用第一钻孔方式形成的第一孔段和采用第二钻孔方式形成的第二孔段；所述第一钻孔方式的控制精度低于所述第二钻孔方式的控制精度；
[0012]
所述第一孔段与所述第二孔段由所述第一层朝向外侧的表面向所述第二层连续设置，所述第一孔段的孔径与所述第一孔段的深度成正比，所述第二孔段的深度小于第一厚度值，所述第一层与所述第二层之间的介质板厚度大于等于第二厚度值，所述第二厚度值大于所述第一厚度值。
[0013]
进一步地，所述第一钻孔方式包括机械钻孔，所述第一钻孔方式的位置精度为
±
3mil。
[0014]
进一步地，所述第二钻孔方式包括激光钻孔，所述第二钻孔方式的位置精度为
±
2mil。
[0015]
进一步地，所述第一厚度值为5mil。
[0016]
进一步地，所述第二厚度值为10mil。
[0017]
进一步地，所述印刷电路板采用高频板材与非高频板材混压一次压合的方式制成。
[0018]
进一步地，所述第一层与所述第二层之间的介质板采用高频板材制成，所述第二层与第2n层之间的介质板包括采用非高频板材制成的介质板。
[0019]
进一步地，多个所述第一盲孔在所述第一层与所述第二层之间的介质板上呈阵列排布。
[0020]
进一步地，所述印刷电路板的第一层至第n层之间的厚度与所述印刷电路板的第n 1层至第2n层之间的厚度相等。
[0021]
进一步地，还包括至少一个第二盲孔，所述第二盲孔采用所述第一钻孔方式形成，所述第二盲孔设置在所述第2n层与所述n 1层之间。
[0022]
1、本发明实施例中第一层与第二层之间的介质板上设置有多个盲孔，盲孔包括由外向内连续设置的第一孔段与第二孔段，其中，第一孔段采用第一钻孔方式钻设、第二孔段采用第二钻孔方式钻设，在盲孔深度确定的前提下，设置第二孔段能够减小第一孔段的深度，进而减小第一孔段的孔径、能有效提高印刷电路板的设计密度。
[0023]
2、现有技术提供的单纯采用第一钻孔方式钻设盲孔的方案要求第二层与第三层自检的介质板厚度不小于6mil，而本发明实施例提供的方案对第二层与第三层之间的介质板的厚度没有要求，第二层与第三层之间的介质板在厚度选择上具有更大的灵活性，有利
于印刷电路板的轻薄化设计。
[0024]
3、现有技术提供的单纯采用第二钻孔方式钻设盲孔的方案位置精度较高但适用的板厚范围较小，超出该适用的板厚范围时会出现梯形孔效应，本发明实施例将第二孔段的深度控制在第二钻孔方式适用的板厚范围内，既利用了第二钻孔方式位置精度高、对位准确性好的特点，又避免了梯形孔效应导致的避免siw天线信号能量泄露，保障了siw天线的性能。
[0025]
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
[0026]
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它附图。
[0027]
图1是本发明实施例提供的印刷电路板上的金属圆柱孔的示意图；
[0028]
图2是本发明实施例提供的印刷电路板上的金属梯形孔的示意图；
[0029]
图3是本发明实施例提供的一个siw天线的s11仿真结果图，该siw天线的印刷电路板上具有金属圆柱孔；
[0030]
图4是本发明实施例提供的另一个siw天线的s11仿真结果图，该siw天线的印刷电路板上具有金属梯形孔；
[0031]
图5是本发明实施例提供的一种用于siw天线的印刷电路板的结构示意图；
[0032]
图6是本发明实施例提供的一种用于siw天线的印刷电路板的加工流程图；
[0033]
图7是本发明实施例提供的一个siw天线的方向图，该siw天线的印刷电路板上具有金属圆柱孔；
[0034]
图8是本发明实施例提供的另一个siw天线的s11仿真结果图，该siw天线的印刷电路板上具有金属梯形孔。
[0035]
其中，1
‑
第一层，2
‑
第二层，3
‑
第一盲孔。
具体实施方式
[0036]
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。
[0037]
实施例
[0038]
图5是本发明实施例提供的一种用于siw天线的印刷电路板的结构示意图，具体的如图5所示，一种用于siw天线的印刷电路板，印刷电路板被配置为叠层结构，叠层结构的层数为2n，其中n为正整数；印刷电路板的第一层1与第二层2之间设置有多个第一盲孔3，第一
盲孔3包括采用第一钻孔方式形成的第一孔段和采用第二钻孔方式形成的第二孔段；第一钻孔方式可以是机械钻孔，第二钻孔方式可以是激光钻孔，第一钻孔方式的控制精度低于第二钻孔方式的控制精度；
[0039]
第一孔段与第二孔段由第一层1朝向外侧的表面向第二层2连续设置，第一孔段的孔径与第一孔段的深度成正比，第二孔段的深度小于第一厚度值，例如5mil，第一层1与第二层2之间的介质板厚度大于等于第二厚度值，例如10mil，第二厚度值大于第一厚度值。
[0040]
需要说明的是，在第一层1与第二层2之间的介质板厚度大于等于10mil厚度时，介质板的厚度与天线的带宽正相关。考虑到单纯机械钻孔方式与单纯的激光钻孔方式在厚度大于等于10mil的介质板上制作盲孔均不能保证成孔质量，现有技术中在天线对带宽要求比较高时，常见的做法是通过改变天线形状来增加带宽，而不是通过增加介质板厚度来增加带宽；在天线对带宽要求比较低时，印刷电路板的第一层1与第二层2之间的介质板厚通常是小于10mil的，这种情况下采用纯镭射工艺即可制作出满足要求的盲孔。
[0041]
需要说明的是，根据需要还可以将第一厚度值设置为小于5mil的其他值，例如4.8mil、3mi等，同样的，将第二厚度值设置为大于10mil的其他值，例如10.1mil、12mil等，也是可行的。
[0042]
本发明实施例将第一盲孔分两为第一孔段、第二孔段两部分来制作，其中，第一孔段采用机械钻孔方式制成，钻设第一孔段需要需要用到控深工艺，该工艺要求下一层介质的厚度大于6mil；第二孔段采用激光钻孔方式制成，激光钻孔方式对对下一层介质的厚度没有要求；因此，与现有技术中单纯采用机械钻孔的盲孔制作方式相比，本发明实施例提供的机械钻孔与激光钻孔结合的盲孔制作方式仅在第一孔段对下一层的介质厚度有要求。并且在钻设第一孔段时，第二孔段的厚度可以作为第一孔段底面到下一层(即第二层2到第三层)介质厚度的一部分，因此，采用本发明实施例的方案时下一层(即第二层2到第三层)介质的厚度只需满足其与第二孔段的深度之和大于6mil即可，这显然降低了机械钻孔对下一层(即第二层2到第三层)介质厚度的要求，且这一厚度是多数介质层所能满足的。因此，采用机械钻孔与激光钻孔结合的盲孔制作方式使得下一层介质的厚度可以在更大的范围内灵活选择。
[0043]
需要说明的是，在采用小孔径的盲孔时，参考层不容易被过孔打断，信号回流减小，能够提高信号质量。随着盲孔孔径的减小，印刷电路板的设计密度降低、布线难度降低、不同网络信号之间的间距增加，有利于减小信号间串扰、提高信号质量。
[0044]
机械钻孔的控深工艺决定了第一孔段的深度与第一孔段的孔径成正比，在第一盲孔深度一定、印刷电路板面积一定的前提下，设置第二孔段可以减小第一孔段的深度，随着机械钻孔的深度减小，其所需的孔径也随之减小，例如，在介质层厚度为10mil的一个示例中，本发明实施例的第一盲孔的孔径相比于单纯采用机械钻孔方式的盲孔孔径减少了0.1mm。
[0045]
由于机械孔的钻孔位置精度是3mil,比镭射孔2mil的精度略差些，因此，采用激光钻孔的方式制作第二孔段有利于提高盲孔的位置精度和对位准确性，使该用于siw天线的印刷电路板符合siw天线的性能参数指标要求。
[0046]
图6是本发明实施例提供的一种用于siw天线的印刷电路板的加工流程图，具体的如图6所示，加工流程包括：a)材料切割、b)l2
‑
5层图形转印、c)层压、d)钻孔、e)镀铜、f)外
层及图形电镀。设置在第一层1与第二层2之间的介质板上的第一盲孔采用机械 镭射工艺制造，此环节相关流程依次为：铜窗蚀刻
→
aoi
→
钻通孔
→
深控机钻
→
镭射盲孔；其中深控机钻的深度结合工艺对钻孔纵横比和镭射成孔的质量的要求根据具体项目案例分析确定。本发明实施例中第一盲孔的成孔质量得到了保证，对印刷电路板设计密度、层叠的介质厚度要求有所降低。
[0047]
在一个实施例中，77g毫米波雷达印刷电路板采用天线和基带在一块印刷电路板上实现。印刷电路板采用高频板材与非高频板材混压一次压合的方式制成。考虑一次压合的原因之一是siw天线对过孔的位置精度要求较高。
[0048]
第一层1与第二层2之间的介质板采用低介电常数、低损耗、表面粗糙度低的高频板材制成，如ro3003板材。第二层2与第2n层之间的介质板可以采用非高频板材制成的介质板，非高频板材可以是fr4板材。这样同一块印刷电路板既满足高性能的射频信号要求，也兼顾到数字信号的低成本要求。
[0049]
多个第一盲孔3在第一层1与第二层2之间的介质板上呈阵列排布，例如，图1所示的多个第一盲孔在介质板上呈两侧周期排列。
[0050]
请继续参照图6，为了避免印刷电路板板翘，层叠尽可能做到对称，印刷电路板的第一层1至第n层之间的厚度与印刷电路板的第n 1层至第2n层之间的厚度应尽可能相等。同时，印刷电路板上设置有至少一个第二盲孔，第二盲孔采用第一钻孔方式形成，第二盲孔设置在第2n层与n 1层之间。第二盲孔对精度孔型要求不高，采用机械钻孔的控深工艺制作，钻孔直径与第n 1层至第2n层之间的介质厚度成正比，因此，第n 1层至第2n层之间的介质厚度尽量小。
[0051]
在一个实施例中，印刷电路板是一块6层混压板，第一层1与第二层2之间的介质板采用10mil的ro3003 ed板材，第一层1与第二层2之间的第一盲孔设计孔径为0.4mm。依据现有的工艺能力，10mil厚度使用激光孔工艺，此第一层1到第二层2的第一盲孔会出现梯形效应，上下比例约70％，上表面孔径按照设计值0.4mm，下面孔径约为0.28mm。需要说明的是，实际应用中，印刷电路板的层数还可以是其他数值，例如还可以是4层、8层等，本发明实施例不以此为限。
[0052]
图7是现有技术提供的一个siw天线的方向图，图8是本发明实施例提供的一个siw天线的方向图，对依据现有的工艺能力制得的印刷电路板进行仿真验证，得到图7示出的具有金属梯形盲孔的siw天线的方向图，按照本发明实施例提供机械 激光工艺，上下均为0.4mm的孔径进行仿真，得到图8示出的具有金属圆柱形盲孔的siw天线的方向图。图中phi＝0deg为天线方位面，phi＝90deg为天线俯仰面。横坐标为角度(度)，纵坐标为增益(db)；实线右侧30
°
位置为副瓣电平。具体的如图7和图8所示，通过改善梯形盲孔的siw天线设计，对整体性能有以下几点改善(hfss仿真)：
[0053]
一是改善了siw天线系统方向图副瓣电平，一般天线副瓣电平要求小于
‑
15db。图7中副瓣电平大小为
‑
12db，该数据不满足天线指标要求。图8中副瓣电平大小为
‑
15db，与图7相比改善了3db，满足天线副瓣电平要求。
[0054]
二是改善了天线俯仰面波束偏移量，图7中波束偏移指俯仰面增益最大点所在的角度在4
°
位置，图8中波束偏移指俯仰面增益最大点所在的角度在2
°
位置，与图7相比天线俯仰面波束偏移量由原来的偏移4
°
改善至偏移2
°
。
[0055]
三是改善了天线方位面方向图波动及天线增益，天线增益指俯仰面增益最大点。
[0056]
由上述本发明提供的一种用于siw天线的印刷电路板的实施例可见，本发明实施例具有以下有益效果：
[0057]
1、本发明实施例中第一层1与第二层2之间的介质板上设置有多个第一盲孔，第一盲孔包括由外向内连续设置的第一孔段与第二孔段，其中，第一孔段采用第一钻孔方式钻设、第二孔段采用第二钻孔方式钻设，在第一盲孔深度确定的前提下，设置第二孔段能够减小第一孔段的深度，进而减小第一孔段的孔径、能有效提高印刷电路板的设计密度。
[0058]
2、现有技术提供的单纯采用第一钻孔方式钻设盲孔的方案要求第二层2与第三层自检的介质板厚度不小于6mil，而本发明实施例提供的方案对第二层2与第三层之间的介质板的厚度没有要求，第二层2与第三层之间的介质板在厚度选择上具有更大的灵活性，有利于印刷电路板的轻薄化设计。
[0059]
3、现有技术提供的单纯采用第二钻孔方式钻设盲孔的方案位置精度较高但适用的板厚范围较小，超出该适用的板厚范围时会出现梯形孔效应，本发明实施例将第二孔段的深度控制在第二钻孔方式适用的板厚范围内，既利用了第二钻孔方式位置精度高、对位准确性好的特点，又避免了梯形孔效应、保障了siw天线的性能。
[0060]
需要说明的是：上述本发明实施例先后顺序仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。且上述对本说明书特定实施例进行了描述。其它实施例在所附权利要求书的范围内。在一些情况下，在权利要求书中记载的动作或步骤可以按照不同于实施例中的顺序来执行并且仍然可以实现期望的结果。另外，在附图中描绘的过程不一定要求示出的特定顺序或者连续顺序才能实现期望的结果。在某些实施方式中，多任务处理和并行处理也是可以的或者可能是有利的。
[0061]
本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。
[0062]
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。