La selección de materiales para una PCB de alta velocidad o alta frecuencia suele centrarse en la constante dieléctrica (Dk) y el factor de disipación (Df). Sin embargo, el conductor de cobre también contribuye a las pérdidas totales de transmisión.
Un parámetro importante, aunque a veces pasado por alto, es la rugosidad de la lámina de cobre, especialmente en la interfaz entre el conductor de cobre y el material dieléctrico de la PCB.
A medida que aumentan la frecuencia de la señal y la tasa de datos, las características de la superficie de cobre pueden ejercer una influencia mayor sobre las pérdidas del conductor, las pérdidas de inserción, la respuesta de fase y la propagación de la señal. Por lo tanto, el perfil de la lámina de cobre debe considerarse junto con las propiedades del laminado, el diseño de la pila de capas y los procesos de fabricación de la PCB.
¿Qué es la rugosidad de la lámina de cobre?
El cobre utilizado en los laminados de PCB no es perfectamente liso. Se requiere cierta rugosidad superficial para garantizar la adherencia mecánica entre la lámina de cobre y el material dieléctrico. Durante la fabricación de PCB multicapa, también puede aplicarse un tratamiento superficial adicional para mejorar la unión entre el cobre y el prepreg.
La rugosidad relevante para el rendimiento de alta frecuencia es principalmente la superficie de cobre en la interfaz cobre-dieléctrico. Rogers Corporation informa que esta interfaz puede influir en la pérdida por inserción, la respuesta de fase y la velocidad de propagación. También puede afectar el valor de Dk extraído de mediciones realizadas sobre un circuito real.
¿Por qué la rugosidad del cobre incrementa las pérdidas por conductor?
En corriente continua o a frecuencias relativamente bajas, la corriente eléctrica utiliza una mayor parte del área transversal del conductor. A medida que la frecuencia aumenta, la corriente se concentra más cerca de la superficie del conductor. Este fenómeno se conoce como efecto piel.
La profundidad efectiva a través de la cual fluye la mayor parte de la corriente se reduce al aumentar la frecuencia. Cuando la superficie del cobre es rugosa, la corriente encuentra una interfaz cobre-dieléctrico más compleja. Esto incrementa la resistencia efectiva del conductor y puede contribuir a mayores pérdidas en el conductor.
Rogers explica que la influencia se vuelve más significativa cuando la profundidad de penetración es pequeña en comparación con el perfil de rugosidad. Por eso, la rugosidad del cobre recibe mayor atención en aplicaciones de microondas, ondas milimétricas y digitales de alta velocidad.
La pérdida por cobre es solo una parte de la pérdida de inserción de la PCB
La pérdida total de inserción no está causada por un único factor. Puede incluir:
Pérdida Dieléctrica
Pérdidas en el conductor
Pérdida por radiación
Pérdidas asociadas con vías, conectores y otras discontinuidades
El factor de disipación (Df) del material dieléctrico está estrechamente relacionado con las pérdidas dieléctricas, mientras que la conductividad del cobre, la geometría de las pistas y la rugosidad superficial contribuyen a las pérdidas por conductor. La selección de un laminado de bajo Df puede reducir las pérdidas dieléctricas, pero la mejora esperada podría verse parcialmente limitada si la PCB utiliza cobre muy rugoso o un tratamiento de unión inadecuado.
Una PCB fiable de bajas pérdidas requiere evaluar conjuntamente el material dieléctrico y la construcción en cobre.
Cómo afecta la rugosidad del cobre a las pérdidas por inserción
Las pérdidas por inserción describen cuánta potencia de señal se pierde cuando una señal viaja a través de una trayectoria de transmisión. Por lo general, un cobre más rugoso produce mayores pérdidas por conductor que un cobre más liso, y esta diferencia adquiere mayor relevancia al aumentar la frecuencia.
Rogers señala que la rugosidad del cobre puede tener una influencia mayor sobre las pérdidas por inserción cuando el sustrato es delgado. En canales de transmisión de alta velocidad largos, incluso un ligero aumento de las pérdidas por unidad de longitud puede volverse significativo a lo largo de toda la trayectoria de la señal.
Esta consideración es relevante para:
Placas de circuito impreso de alta velocidad
Equipos de servidores y almacenamiento de datos
Sistemas de comunicación de alta velocidad
Módulos de RF y microondas
Sistemas de radar y detección automotriz
equipos 5G y de ondas milimétricas
Productos de prueba y medición de precisión
¿Puede la rugosidad del cobre afectar la constante dieléctrica (Dk) y la velocidad de propagación?
La rugosidad del cobre no modifica la composición química del laminado dieléctrico. Sin embargo, puede influir en el comportamiento de una señal en la línea de transmisión terminada.
Rogers informa que el cobre rugoso puede ralentizar la propagación de ondas electromagnéticas. Como consecuencia, la constante dieléctrica efectiva (Dk) o percibida por el circuito, extraída a partir de mediciones, puede parecer mayor que la Dk real del material dieléctrico.
Retraso en la propagación de la señal
Respuesta de fase
Dk efectiva
Modelado de impedancia
Predicción de pérdidas por inserción
En simulaciones de alta frecuencia, utilizar únicamente los valores nominales de Dk y Df de un laminado puede no representar completamente el circuito fabricado. Cuando se requiere una modelización precisa, también deben considerarse el tipo de lámina de cobre, su perfil superficial y el proceso de fabricación.
Cobre estándar, cobre VLP y cobre HVLP
El cobre electrodepositado estándar presenta generalmente un perfil superficial más pronunciado. Las opciones de cobre de bajo perfil, comúnmente denominadas cobre VLP o cobre HVLP, están diseñadas para ofrecer una interfaz más lisa sin comprometer un rendimiento adecuado de adherencia.
El uso de cobre de bajo perfil puede ayudar a reducir las pérdidas en el conductor, pero la designación por sí sola no proporciona toda la información necesaria para predecir el rendimiento del circuito. Los ingenieros también deben considerar:
Datos sobre la rugosidad del cobre
Espesor de cobre
Construcción del laminado
Grosor del dieléctrico
Geometría de la línea de transmisión
Tratamiento de unión
Frecuencia de operación requerida
Rendimiento objetivo de pérdida de inserción
Diferentes proveedores de hojas de cobre y sistemas de laminado pueden utilizar construcciones distintas. Por lo tanto, la opción exacta de cobre debe confirmarse con el proveedor de materiales para PCB y con el fabricante.
¿Por qué no usar siempre el cobre más liso?
La lámina de cobre debe ofrecer tanto rendimiento eléctrico como adherencia fiable al material dieléctrico. Una superficie más rugosa puede mejorar la unión mecánica, pero podría aumentar las pérdidas en el conductor. Una superficie más lisa puede reducir las pérdidas en el conductor, pero el laminado y el sistema de unión deben seguir garantizando una resistencia al desprendimiento suficiente y una fiabilidad en la fabricación.
Requisitos de pérdida de señal
Adhesión entre cobre y dieléctrico
Fiabilidad térmica
Disponibilidad de materiales
Fabricabilidad
Costo del Proyecto
Las tecnologías modernas de laminados y tratamientos de cobre buscan equilibrar una menor pérdida en el conductor con un rendimiento adecuado de unión.
Cómo la fabricación de PCB puede afectar la rugosidad del cobre
La rugosidad del cobre no depende únicamente de la lámina original de cobre, sino también del proceso de fabricación del PCB. Durante la producción de multicapas, la superficie de cobre puede someterse a un tratamiento previo a la laminación para mejorar su adherencia al prepreg. El tratamiento oxidante o alternativo al óxido seleccionado puede influir en la interfaz final que percibe la señal.
Una investigación publicada por IPC, en colaboración con AT&S y la Universidad Técnica de Viena, identifica la calidad de la lámina de cobre y el tratamiento sustitutivo del óxido como factores importantes para controlar las pérdidas relacionadas con el cobre.
Combinaciones aprobadas de laminado y lámina de cobre
Tratamiento de unión para capas internas
Parámetros de laminación
Espesor de cobre
Ancho y geometría de las pistas
Consistencia del proceso de grabado
Impedancia final y rendimiento eléctrico
Sustituir un laminado o una lámina de cobre sin considerar estos factores puede alterar el rendimiento de la placa de circuito impreso (PCB), incluso si el material de reemplazo presenta valores nominales de Dk y Df similares.
¿Qué deben incluir los ingenieros en la especificación de la PCB?
En proyectos de alta velocidad o alta frecuencia, el requisito de «material de baja pérdida» por sí solo puede no ser suficiente. Información útil para la fabricación podría incluir:
Marca y grado de laminado aprobados
Tipo o perfil requerido de lámina de cobre
Espesor requerido de cobre
Valores y tolerancias de impedancia controlada
Apilamiento y grosor dieléctrico
Requisito máximo de pérdida por inserción, si procede
Frecuencia de operación o velocidad de transmisión de datos
Requisitos para las muestras de prueba
Materiales alternativos aceptables
Método de validación o ensayo requerido
Si el material original es difícil de obtener, cualquier material alternativo propuesto debe evaluarse en función de la construcción completa del material, y no únicamente en función de su constante dieléctrica (Dk) y su factor de disipación (Df).
¿Qué deben confirmar los departamentos de compras y las empresas de EMS?
Los equipos de compras y los proveedores de EMS no necesitan necesariamente definir ellos mismos todos los parámetros del cobre. Antes de aprobar una sustitución de material, resulta útil preguntar:
¿El material alternativo utiliza un perfil de lámina de cobre comparable?
¿Se utilizará el mismo tratamiento de unión de capa interna?
¿Podría la sustitución afectar la pérdida por inserción o la impedancia?
¿Apoya el proveedor del laminado la construcción propuesta?
¿Se pueden proporcionar cupones de impedancia o pruebas de pérdida cuando sea necesario?
Estas preguntas ayudan a reducir el riesgo de aprobar un material basándose únicamente en un valor Dk similar o en una clasificación general de «baja pérdida».
¿Cómo se pueden verificar los efectos de la rugosidad del cobre?
El método de verificación adecuado depende del rango de frecuencia del proyecto, de la longitud del canal y de los requisitos de rendimiento.
Revisión de los datos del laminado y de la lámina de cobre
Pruebas de impedancia controlada
Inspección mediante microsección
Mediciones de pérdida por inserción
Pruebas en el dominio del tiempo o en el dominio de la frecuencia
Comparación entre muestras de prueba y modelos de simulación
Para aplicaciones exigentes, el método de medición y los límites de aceptación deben acordarse antes de la producción.
Conclusión
La rugosidad de la lámina de cobre es un factor importante de fabricación y de material para placas de circuito impreso (PCB) de alta velocidad y alta frecuencia. A medida que aumenta la frecuencia, el efecto pelicular concentra la corriente cerca de la superficie de cobre. Una interfaz más rugosa entre el cobre y el dieléctrico puede incrementar la resistencia del conductor y la pérdida por inserción. También puede afectar la respuesta de fase, la velocidad de propagación y la constante dieléctrica efectiva (Dk) observada en las mediciones del circuito.
El cobre de perfil bajo puede ayudar a reducir estos efectos, pero el rendimiento eléctrico debe equilibrarse con la adherencia entre el cobre y el dieléctrico, así como con la fiabilidad en la fabricación. El mejor enfoque consiste en evaluar el laminado, la lámina de cobre, la estructura de capas (stack-up), el tratamiento de unión y los requisitos de rendimiento como una construcción completa de PCB.
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