Bei der Materialauswahl für eine Hochgeschwindigkeits- oder Hochfrequenz-Leiterplatte stehen oft die Dielektrizitätskonstante (Dk) und der Verlustfaktor (Df) im Vordergrund. Der Kupferleiter trägt jedoch ebenfalls zu den gesamten Übertragungsverlusten bei.
Ein wichtiger, aber manchmal übersehener Parameter ist die Rauheit der Kupferfolie – insbesondere an der Grenzfläche zwischen dem Kupferleiter und dem dielektrischen PCB-Material.
Mit steigender Signalfrequenz und höherer Datenrate können die Oberflächeneigenschaften des Kupfers einen stärkeren Einfluss auf Leiterverluste, Einfügungsdämpfung, Phasenantwort und Signalausbreitung haben. Das Profil der Kupferfolie sollte daher gemeinsam mit den Eigenschaften des Laminats, dem Schichtaufbau (Stack-up) und den Fertigungsverfahren für Leiterplatten berücksichtigt werden.
Was ist die Rauheit der Kupferfolie?
Das in Leiterplatten-Laminaten verwendete Kupfer ist nicht vollkommen glatt. Ein gewisses Maß an Oberflächenstruktur ist erforderlich, um die mechanische Haftung zwischen der Kupferfolie und dem Dielektrikum zu gewährleisten. Bei der Herstellung von mehrlagigen Leiterplatten kann zusätzlich eine Oberflächenbehandlung angewendet werden, um die Haftung zwischen Kupfer und Prepreg zu verbessern.
Die für die Hochfrequenzleistung relevante Rauheit betrifft vor allem die Kupferoberfläche an der Grenzfläche zwischen Kupfer und Dielektrikum. Rogers Corporation berichtet, dass diese Grenzfläche Einfluss auf Dämpfungsverluste (insertion loss), Phasenantwort und Ausbreitungsgeschwindigkeit nehmen kann. Sie kann zudem den aus Messungen an einer realen Schaltung ermittelten Dk-Wert beeinflussen.
Warum erhöht die Kupfer-Rauheit die Leiterverluste?
Bei Gleichstrom oder relativ niedrigen Frequenzen nutzt der elektrische Strom einen größeren Teil der Querschnittsfläche des Leiters. Mit steigender Frequenz konzentriert sich der Strom zunehmend an der Oberfläche des Leiters. Dieses Phänomen wird als Skineffekt bezeichnet.
Die effektive Tiefe, durch die der größte Teil des Stroms fließt, wird mit steigender Frequenz geringer. Wenn die Kupferoberfläche rau ist, stößt der Strom auf eine komplexere Kupfer-Dielektrikum-Grenzfläche. Dadurch erhöht sich der effektive Leiterwiderstand und es können höhere Leiterverluste entstehen.
Rogers erläutert, dass der Einfluss signifikanter wird, wenn die Skin-Tiefe im Verhältnis zum Rauheitsprofil klein ist. Deshalb wird der Kupferrauheit in Mikrowellen-, Millimeterwellen- und Hochgeschwindigkeits-Digitalanwendungen verstärkt Aufmerksamkeit gewidmet.
Kupferverlust ist nur ein Teil des PCB-Einleitungverlusts
Der gesamte Einleitungverlust wird nicht durch einen einzigen Faktor verursacht. Er kann umfassen:
Dielektrische Verluste
Leiterdämpfung
Abstrahlungsverlust
Verluste, die mit Durchkontaktierungen (vias), Steckverbindern und anderen Diskontinuitäten verbunden sind
Der Verlustfaktor (Df) des dielektrischen Materials steht in engem Zusammenhang mit dem dielektrischen Verlust, während die Kupferleitfähigkeit, die Geometrie der Leiterbahnen und die Oberflächenrauheit zum Leiterverlust beitragen. Die Auswahl eines Laminats mit niedrigem Df kann den dielektrischen Verlust reduzieren; die erwartete Verbesserung kann jedoch teilweise eingeschränkt sein, wenn auf der Leiterplatte sehr raues Kupfer oder eine ungeeignete Haftbehandlung verwendet wird.
Eine zuverlässige niederverlustige Leiterplatte erfordert die gemeinsame Bewertung des dielektrischen Materials und des Kupferaufbaus.
Wie sich die Kupferrauheit auf den Einfügungsverlust auswirkt
Der Einfügungsverlust beschreibt, wie viel Signalleistung verloren geht, während ein Signal durch einen Übertragungsweg läuft. Raues Kupfer erzeugt im Allgemeinen einen höheren Leiterverlust als glattes Kupfer, und dieser Unterschied gewinnt mit steigender Frequenz an Bedeutung.
Rogers weist darauf hin, dass die Kupferrauheit einen stärkeren Einfluss auf den Einfügungsverlust haben kann, wenn das Substrat dünn ist. Bei langen Hochgeschwindigkeitsübertragungskanälen kann selbst eine relativ geringfügige Erhöhung des Verlusts pro Längeneinheit über den gesamten Signalweg hinweg von Bedeutung werden.
Diese Überlegung ist relevant für:
Hochgeschwindigkeits-Backplanes
Server- und Datenspeicherausrüstung
Hochgeschwindigkeits-Kommunikationssysteme
HF- und Mikrowellenmodule
Radarsysteme und automobilspezifische Sensorsysteme
5G- und Millimeterwellenausrüstung
Präzise Test- und Messtechnikprodukte
Kann die Kupfer-Rauheit Dk und die Ausbreitungsgeschwindigkeit beeinflussen?
Die Kupfer-Rauheit ändert nicht die chemische Zusammensetzung des dielektrischen Laminats. Sie kann jedoch das Signalverhalten in der fertigen Übertragungsleitung beeinflussen.
Rogers berichtet, dass raues Kupfer die Ausbreitung elektromagnetischer Wellen verlangsamen kann. Daher kann der aus Messungen ermittelte effektive oder schaltungsbedingte Dk-Wert höher erscheinen als der tatsächliche Dk-Wert des Dielektrikums.
Signallaufzeitverzögerung
Phasenantwort
Effektiver Dk
Impedanzmodellierung
Einfügedämpfungsvorhersage
Bei Hochfrequenzsimulationen reicht es möglicherweise nicht aus, allein die nominellen Dk- und Df-Werte eines Laminats zu verwenden, um die gefertigte Schaltung vollständig abzubilden. Bei präziser Modellierung sollten zudem der Kupferfolientyp, das Oberflächenprofil und der Fertigungsprozess berücksichtigt werden.
Standard-Kupfer, VLP-Kupfer und HVLP-Kupfer
Standard-Elektrolytkupfer weist im Allgemeinen ein ausgeprägteres Oberflächenprofil auf. Kupferoptionen mit geringem Profil, üblicherweise als VLP- oder HVLP-Kupfer bezeichnet, sind so konzipiert, dass sie eine glattere Grenzfläche bieten, ohne die erforderliche Haftleistung einzubüßen.
Die Verwendung von Kupfer mit geringer Profilhöhe kann die Leiterverluste senken, doch allein die Bezeichnung liefert nicht sämtliche Informationen, die zur Vorhersage der Schaltungsleistung erforderlich sind. Ingenieure sollten zudem berücksichtigen:
Daten zur Kupferrauheit
Kupferdicke
Laminataufbau
Dielektrikumdicke
Geometrie der Übertragungsleitung
Oberflächenbehandlung zur Verbindung
Erforderliche Betriebsfrequenz
Zielvorgabe für die Einfügedämpfung
Verschiedene Kupferfolienhersteller und Laminatsysteme können unterschiedliche Aufbauten verwenden. Die genaue Kupferausführung ist daher mit dem Lieferanten des Leiterplattenmaterials und dem Hersteller abzustimmen.
Warum nicht immer das glatteste Kupfer verwenden?
Kupferfolie muss sowohl elektrische Leistung als auch zuverlässige Haftung am Dielektrikum gewährleisten. Eine rauere Oberfläche kann die mechanische Verbindung verbessern, erhöht jedoch möglicherweise die Leiterverluste. Eine glattere Oberfläche kann die Leiterverluste verringern; das Laminat und das Verbindungssystem müssen jedoch weiterhin ausreichende Abzugfestigkeit und Fertigungssicherheit bieten.
Anforderungen an Signalverluste
Haftung von Kupfer auf Dielektrikum
Thermische Zuverlässigkeit
Materialverfügbarkeit
Fertigungsfähigkeit
Projektkosten
Moderne Laminat- und Kupferbehandlungstechnologien zielen darauf ab, geringere Leiterverluste mit einer geeigneten Haftleistung in Einklang zu bringen.
Wie die Leiterplattenfertigung die Kupferrauheit beeinflussen kann
Die Kupferrauheit wird nicht nur durch die ursprüngliche Kupferfolie, sondern auch durch den Leiterplattenfertigungsprozess beeinflusst. Bei der Mehrschichtfertigung kann die Kupferoberfläche vor dem Laminieren zur Verbesserung der Haftung an das Prepreg behandelt werden. Die gewählte Oxid- oder Oxid-Ersatzbehandlung kann die endgültige, vom Signal wahrgenommene Grenzfläche beeinflussen.
Forschungsergebnisse, die vom IPC gemeinsam mit AT&S und der Technischen Universität Wien veröffentlicht wurden, identifizieren die Qualität der Kupferfolie sowie die Oxid-Ersatzbehandlung als wichtige Faktoren zur Kontrolle kupferbedingter Verluste.
Zugelassene Kombinationen aus Laminat und Kupferfolie
Haftbehandlung für Innenlagen
Laminierparameter
Kupferdicke
Leiterbahnbreite und Geometrie
Ätzkonsistenz
Endgültige Impedanz und elektrische Leistung
Der Ersatz einer Laminat- oder Kupferfolie ohne Berücksichtigung dieser Faktoren kann die Leistung der Leiterplatte verändern, selbst wenn der Ersatz ähnliche nominelle Dk- und Df-Werte aufweist.
Was sollten Ingenieure in die Leiterplattenspezifikation aufnehmen?
Bei Hochgeschwindigkeits- oder Hochfrequenzprojekten reicht allein ein „niedrigverlustiges Material“ möglicherweise nicht als vollständige Anforderung aus. Nützliche Fertigungsinformationen können umfassen:
Genehmigte Laminatmarke und Materialqualität
Anforderung an den Kupferfolientyp oder -profil
Erforderliche Kupferdicke
Vorgeschriebene Impedanzwerte und Toleranzen
Schichtaufbau und Dielektrikumdicke
Maximale Anforderung an die Einfügedämpfung, falls zutreffend
Betriebsfrequenz oder Datenrate
Anforderungen an Prüfmuster
Zulässige alternative Materialien
Erforderliche Validierungs- oder Prüfmethode
Falls das ursprüngliche Material schwer beschaffbar ist, sollte jedes vorgeschlagene Alternativmaterial anhand der vollständigen Materialkonstruktion – und nicht allein anhand von Dk und Df – bewertet werden.
Was müssen Einkaufs- und EMS-Unternehmen bestätigen?
Einkaufsteams und EMS-Anbieter müssen nicht zwangsläufig jeden Kupferparameter selbst definieren. Vor der Genehmigung einer Materialsubstitution ist es sinnvoll, folgende Fragen zu stellen:
Verwendet die Alternative ein vergleichbares Kupferfolienprofil?
Wird die gleiche Klebebehandlung der inneren Schicht verwendet?
Könnte der Ersatz die Einfügedämpfung oder die Impedanz beeinflussen?
Wird die vorgeschlagene Aufbauweise vom Laminatlieferanten unterstützt?
Können bei Bedarf Impedanz-Coupons oder Dämpfungsprüfungen bereitgestellt werden?
Diese Fragen tragen dazu bei, das Risiko zu verringern, ein Material allein aufgrund eines ähnlichen Dk-Werts oder einer allgemeinen Klassifizierung als „niedrigverlustig“ freizugeben.
Wie können die Auswirkungen der Kupfer-Rauheit überprüft werden?
Die geeignete Verifikationsmethode hängt vom Frequenzbereich, der Kanallänge und den Leistungsanforderungen des Projekts ab.
Überprüfung der Daten zu Laminat und Kupferfolie
Impedanzkontrollierte Prüfung
Mikroschnitt-Inspektion
Einfügedämpfungsmessungen
Zeitbereichs- oder Frequenzbereichstests
Vergleich zwischen Testcoupons und Simulationsmodellen
Für anspruchsvolle Anwendungen sollten die Messmethode und die Akzeptanzgrenzwerte vor der Produktion vereinbart werden.
Fazit
Die Rauheit der Kupferfolie ist ein wichtiger Fertigungs- und Materialaspekt für Hochgeschwindigkeits- und Hochfrequenz-Leiterplatten. Mit steigender Frequenz konzentriert der Skineffekt den Strom nahe der Kupferoberfläche. Eine rauere Kupfer-Dielektrikum-Grenzfläche kann den Leiterwiderstand und die Einfügedämpfung erhöhen. Sie kann zudem die Phasenantwort, die Ausbreitungsgeschwindigkeit sowie die effektive Dk beeinflussen, die bei Schaltungsmaßnahmen beobachtet wird.
Kupferfolie mit geringem Profil kann diese Effekte verringern; jedoch muss die elektrische Leistung mit der Haftfestigkeit zwischen Kupfer und Dielektrikum sowie der Fertigungssicherheit in Einklang gebracht werden. Der beste Ansatz besteht darin, das Laminat, die Kupferfolie, den Schichtaufbau, die Bondbehandlung und die Leistungsanforderungen als eine vollständige Leiterplattenkonstruktion zu bewerten.
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