Pourquoi la rugosité de la feuille de cuivre est-elle importante dans les cartes de circuits imprimés à haute vitesse et à haute fréquence ?

La sélection des matériaux pour un circuit imprimé à haute vitesse ou à haute fréquence porte souvent sur la constante diélectrique (Dk) et le facteur de dissipation (Df). Toutefois, le conducteur en cuivre contribue également aux pertes totales de transmission.

Un paramètre important, mais parfois négligé, est la rugosité de la feuille de cuivre, notamment à l’interface entre le conducteur en cuivre et le matériau diélectrique du circuit imprimé.

À mesure que la fréquence du signal et le débit de données augmentent, les caractéristiques de surface du cuivre peuvent exercer une influence plus marquée sur les pertes conductrices, les pertes d’insertion, la réponse de phase et la propagation du signal. Le profil de la feuille de cuivre doit donc être pris en compte conjointement avec les propriétés du stratifié, la conception de l’empilement (stack-up) et les procédés de fabrication du circuit imprimé.

Qu’est-ce que la rugosité de la feuille de cuivre ?

Le cuivre utilisé dans les stratifiés de cartes de circuits imprimés n’est pas parfaitement lisse. Une certaine rugosité de surface est nécessaire pour assurer l’adhérence mécanique entre la feuille de cuivre et le matériau diélectrique. Lors de la fabrication de cartes multicouches, un traitement supplémentaire de la surface peut également être appliqué afin d’améliorer la liaison entre le cuivre et le préimprégné.

La rugosité pertinente pour les performances haute fréquence concerne principalement la surface du cuivre à l’interface cuivre-diélectrique. Rogers Corporation indique que cette interface peut influencer les pertes d’insertion, la réponse de phase et la vitesse de propagation. Elle peut également affecter la valeur de Dk extraite à partir de mesures effectuées sur un circuit réel.

Pourquoi la rugosité du cuivre augmente-t-elle les pertes conductrices ?

En courant continu ou à des fréquences relativement basses, le courant électrique utilise une plus grande partie de la section transversale du conducteur. À mesure que la fréquence augmente, le courant se concentre davantage près de la surface du conducteur. Ce phénomène est connu sous le nom d’effet de peau.

La profondeur effective à travers laquelle circule la majeure partie du courant diminue lorsque la fréquence augmente. Lorsque la surface du cuivre est rugueuse, le courant rencontre une interface cuivre-diélectrique plus complexe. Cela accroît la résistance effective du conducteur et peut contribuer à des pertes conductrices plus élevées.

Rogers explique que cette influence devient plus marquée lorsque l’épaisseur de peau est faible par rapport au profil de rugosité. C’est pourquoi la rugosité du cuivre retient davantage d’attention dans les applications micro-ondes, millimétriques et numériques haute vitesse.

Les pertes cuivre ne constituent qu’une composante des pertes d’insertion d’un circuit imprimé

Les pertes d’insertion totales ne résultent pas d’un seul facteur. Elles peuvent inclure :

• Perte diélectrique

• Pertes dans le conducteur

• Pertes par rayonnement

• Pertes associées aux vias, aux connecteurs et à d’autres discontinuités

Le facteur de dissipation (Df) du matériau diélectrique est étroitement lié aux pertes diélectriques, tandis que la conductivité du cuivre, la géométrie des pistes et la rugosité de surface contribuent aux pertes conductrices. Le choix d’un stratifié à faible Df peut réduire les pertes diélectriques, mais l’amélioration attendue peut être partiellement limitée si le circuit imprimé utilise un cuivre très rugueux ou un traitement d’adhésion inadapté.

Un circuit imprimé fiable à faibles pertes exige une évaluation conjointe du matériau diélectrique et de la construction en cuivre.

Comment la rugosité du cuivre affecte les pertes d’insertion

Les pertes d’insertion décrivent la quantité de puissance du signal perdue lorsqu’un signal se propage le long d’un trajet de transmission. Un cuivre plus rugueux génère généralement des pertes conductrices plus importantes qu’un cuivre plus lisse, et cette différence devient plus significative à mesure que la fréquence augmente.

Rogers signale que la rugosité du cuivre peut exercer une influence plus importante sur les pertes d’insertion lorsque le substrat est mince. Pour les longs canaux de transmission haute vitesse, même une légère augmentation des pertes par unité de longueur peut devenir critique sur l’ensemble du trajet du signal.

Cette considération est pertinente pour :

• Les backplanes haute vitesse

• Les serveurs et les équipements de stockage de données

• Les systèmes de communication haute vitesse

• Les modules RF et micro-ondes

• Les systèmes radar et de détection automobile

• les équipements 5G et aux ondes millimétriques

• Les produits de test et de mesure de précision

La rugosité du cuivre peut-elle influencer la constante diélectrique (Dk) et la vitesse de propagation ?

La rugosité du cuivre ne modifie pas la composition chimique du stratifié diélectrique. Toutefois, elle peut influencer le comportement d’un signal dans la ligne de transmission terminée.

Rogers signale que le cuivre brut peut ralentir la propagation des ondes électromagnétiques. Par conséquent, la constante diélectrique effective (Dk) ou perçue par le circuit, extraite à partir de mesures, peut sembler supérieure à la valeur réelle de la Dk du matériau diélectrique.

• Retard de propagation du signal

• Réponse en phase

• Dk effective

• Modélisation de l’impédance

• Prédiction des pertes d’insertion

Pour les simulations haute fréquence, l’utilisation exclusive des valeurs nominales de Dk et de Df d’un stratifié peut ne pas représenter fidèlement le circuit fabriqué. Le type de feuillard de cuivre, son profil de surface ainsi que le procédé de fabrication doivent également être pris en compte lorsque la modélisation exige une grande précision.

Cuivre standard, cuivre VLP et cuivre HVLP

Le cuivre électrodéposé standard présente généralement un profil de surface plus marqué. Les options de cuivre à faible rugosité, couramment désignées sous les appellations cuivre VLP ou cuivre HVLP, sont conçues pour offrir une interface plus lisse tout en assurant des performances adéquates d’adhérence.

L’utilisation de cuivre à faible épaisseur peut contribuer à réduire les pertes dans le conducteur, mais cette désignation seule ne fournit pas toutes les informations nécessaires pour prédire les performances du circuit. Les ingénieurs doivent également prendre en compte :

• Les données sur la rugosité du cuivre

• Épaisseur du cuivre

• La structure du stratifié

• L’épaisseur du diélectrique

• La géométrie de la ligne de transmission

• Le traitement d’adhésion

• La fréquence de fonctionnement requise

• Les performances cibles en termes de perte d’insertion

Différents fournisseurs de feuilles de cuivre et systèmes de stratifiés peuvent utiliser des structures différentes. L’option exacte de cuivre doit donc être confirmée auprès du fournisseur de matériaux pour circuits imprimés et du fabricant.

Pourquoi ne pas toujours utiliser le cuivre le plus lisse ?

La feuille de cuivre doit assurer à la fois de bonnes performances électriques et une adhérence fiable au matériau diélectrique. Une surface plus rugueuse peut améliorer la liaison mécanique, mais elle risque d’accroître les pertes dans le conducteur. Une surface plus lisse peut réduire ces pertes, mais le stratifié et le système d’adhésion doivent toutefois garantir une résistance à l’arrachement suffisante ainsi qu’une fiabilité en fabrication.

• Exigences en matière de perte de signal

• Adhérence cuivre-diélectrique

• Fiabilité thermique

• Disponibilité des matériaux

• Fabricabilité

• Coût du projet

Les technologies modernes de stratifiés et de traitement du cuivre visent à équilibrer une perte conductrice réduite avec des performances d’adhérence adaptées.

Comment la fabrication des cartes de circuits imprimés peut influencer la rugosité du cuivre

La rugosité du cuivre dépend non seulement de la feuille de cuivre d’origine, mais aussi du procédé de fabrication des cartes de circuits imprimés. Lors de la production multicouche, la surface de cuivre peut être traitée avant le laminage afin d’améliorer son adhérence au préimprégné. Le traitement oxyde ou remplaçant de l’oxyde choisi peut influencer l’interface finale perçue par le signal.

Des recherches publiées par l’IPC, menées conjointement avec AT&S et l’université technique de Vienne, identifient la qualité de la feuille de cuivre et le traitement de remplacement de l’oxyde comme des facteurs essentiels pour maîtriser les pertes liées au cuivre.

• Combinaisons approuvées de stratifiés et de feuilles de cuivre

• Traitement d’adhérence des couches internes

• Paramètres de laminage

• Épaisseur du cuivre

• Largeur et géométrie des pistes

• Uniformité de la gravure

• Impédance finale et performances électriques

Remplacer un stratifié ou une feuille de cuivre sans tenir compte de ces facteurs peut modifier les performances du circuit imprimé, même si le remplaçant présente des valeurs nominales de Dk et de Df similaires.

Que doivent inclure les ingénieurs dans la spécification du circuit imprimé ?

Pour les projets haute vitesse ou haute fréquence, la simple mention de « matériau à faibles pertes » ne constitue pas nécessairement une exigence complète. Des informations utiles pour la fabrication peuvent inclure :

• Marque et grade de stratifié approuvés

• Type ou profil requis de la feuille de cuivre

• Épaisseur de cuivre requise

• Valeurs et tolérances d’impédance contrôlée

• Empilement et épaisseur diélectrique

• Exigence maximale de perte d’insertion, le cas échéant

• Fréquence de fonctionnement ou débit de données

• Exigences relatives aux échantillons d’essai

• Matériaux alternatifs acceptables

• Méthode de validation ou d’essai requise

Si le matériau d’origine est difficile à obtenir, tout matériau alternatif proposé doit être évalué en tenant compte de la construction complète du matériau, et non pas uniquement du Dk et du Df.

Que doivent confirmer les services Achats et les entreprises EMS ?

Les équipes Achats et les prestataires EMS n’ont pas nécessairement besoin de définir elles-mêmes chaque paramètre du cuivre. Avant d’approuver une substitution de matériau, il est utile de se poser les questions suivantes :

• L’alternative utilise-t-elle un profil de feuillard de cuivre comparable ?

• Le même traitement de collage de la couche interne sera-t-il utilisé ?

• Ce remplacement pourrait-il affecter les pertes d’insertion ou l’impédance ?

• La structure proposée est-elle prise en charge par le fournisseur de stratifiés ?

• Des échantillons d’impédance ou des essais de pertes peuvent-ils être fournis, si nécessaire ?

Ces questions permettent de réduire le risque d’approuver un matériau uniquement sur la base d’une valeur Dk similaire ou d’une classification générale « à faibles pertes ».

Comment vérifier les effets de la rugosité du cuivre ?

La méthode de vérification appropriée dépend de la plage de fréquence du projet, de la longueur du canal et des exigences de performance.

• Examen des données relatives aux stratifiés et aux feuilles de cuivre

• Essais d’impédance contrôlée

• Inspection par microsection

• Mesures de perte d’insertion

• Essais dans le domaine temporel ou dans le domaine fréquentiel

• Comparaison entre les échantillons d’essai et les modèles de simulation

Pour les applications exigeantes, la méthode de mesure et les limites d’acceptation doivent être convenues avant la production.

Conclusion

La rugosité de la feuille de cuivre constitue un paramètre important, tant sur le plan de la fabrication que des matériaux, pour les cartes de circuits imprimés à haute vitesse et à haute fréquence. À mesure que la fréquence augmente, l’effet de peau concentre le courant près de la surface du cuivre. Une interface plus rugueuse entre le cuivre et le diélectrique peut accroître la résistance du conducteur et la perte d’insertion. Elle peut également influencer la réponse de phase, la vitesse de propagation et la constante diélectrique effective (Dk) observée lors des mesures sur circuit.

Le cuivre à faible épaisseur peut contribuer à atténuer ces effets, mais les performances électriques doivent être équilibrées avec l’adhérence entre le cuivre et le diélectrique ainsi qu’avec la fiabilité en fabrication. La meilleure approche consiste à évaluer le stratifié, la feuille de cuivre, la configuration multicouche, le traitement de collage et les exigences de performance comme une construction complète de carte de circuits imprimés.