Perché la ruvidità della lamiera di rame è importante nelle PCB ad alta velocità e ad alta frequenza?

La selezione dei materiali per una scheda a circuito stampato (PCB) ad alta velocità o ad alta frequenza si concentra spesso sulla costante dielettrica (Dk) e sul fattore di dissipazione (Df). Tuttavia, anche il conduttore in rame contribuisce alla perdita totale di trasmissione.

Un parametro importante, ma talvolta trascurato, è la rugosità della lamiera di rame, in particolare all’interfaccia tra il conduttore in rame e il materiale dielettrico della PCB.

Con l’aumento della frequenza del segnale e del tasso di trasferimento dati, le caratteristiche della superficie del rame possono influenzare maggiormente la perdita nel conduttore, la perdita di inserzione, la risposta di fase e la propagazione del segnale. Il profilo della lamiera di rame deve quindi essere considerato insieme alle proprietà del laminato, alla progettazione dello stack-up e ai processi di produzione della PCB.

Che cos’è la rugosità della lamiera di rame?

Il rame utilizzato nei laminati per PCB non è perfettamente liscio. È necessaria una certa rugosità superficiale per garantire l’adesione meccanica tra la foglia di rame e il materiale dielettrico. Durante la produzione di PCB multistrato, può essere applicato anche un ulteriore trattamento superficiale per migliorare l’adesione tra rame e prepreg.

La rugosità rilevante per le prestazioni ad alta frequenza riguarda principalmente la superficie del rame all’interfaccia rame-dielettrico. Rogers Corporation riporta che questa interfaccia può influenzare la perdita d’inserzione, la risposta di fase e la velocità di propagazione. Può inoltre influenzare il valore di Dk estratto da misurazioni effettuate su un circuito reale.

Perché la rugosità del rame aumenta le perdite conduttive?

In corrente continua o a frequenze relativamente basse, la corrente elettrica utilizza una porzione maggiore della sezione trasversale del conduttore. Al crescere della frequenza, la corrente si concentra progressivamente verso la superficie del conduttore. Questo fenomeno è noto come effetto pelle.

La profondità efficace attraverso la quale fluisce la maggior parte della corrente diventa minore all’aumentare della frequenza. Quando la superficie del rame è ruvida, la corrente incontra un’interfaccia rame-dielettrico più complessa. Ciò aumenta la resistenza efficace del conduttore e può contribuire a perdite conduttive più elevate.

Rogers spiega che l’influenza diventa più significativa quando la profondità di penetrazione è piccola rispetto al profilo di rugosità. È per questo motivo che la rugosità del rame riceve maggiore attenzione nelle applicazioni microonde, a onde millimetriche e digitali ad alta velocità.

La perdita di rame è solo una parte della perdita di inserzione di un PCB

La perdita totale di inserzione non è causata da un singolo fattore. Può includere:

• Perdita dielettrica

• Perdita nel conduttore

• Perdita per irraggiamento

• Perdite associate a via, connettori e altre discontinuità

Il fattore di dissipazione (Df) del materiale dielettrico è strettamente correlato alle perdite dielettriche, mentre la conducibilità del rame, la geometria delle piste e la rugosità della superficie contribuiscono alle perdite conduttive. La scelta di un laminato a basso Df può ridurre le perdite dielettriche, ma il miglioramento atteso potrebbe essere parzialmente limitato se la scheda a circuito stampato utilizza rame particolarmente rugoso o un trattamento di legatura inadatto.

Una scheda a circuito stampato a basse perdite affidabile richiede una valutazione congiunta del materiale dielettrico e della struttura in rame.

Come la rugosità del rame influisce sulle perdite di inserzione

Le perdite di inserzione descrivono quanta potenza del segnale viene persa mentre il segnale viaggia lungo un percorso di trasmissione. In generale, un rame più rugoso produce perdite conduttive maggiori rispetto a un rame più liscio, e questa differenza diventa più significativa all’aumentare della frequenza.

Rogers osserva che la rugosità del rame può esercitare un’influenza maggiore sulle perdite di inserzione quando il substrato è sottile. Per canali di trasmissione ad alta velocità lunghi, anche un modesto aumento delle perdite per unità di lunghezza può diventare rilevante lungo l’intero percorso del segnale.

Questa considerazione è rilevante per:

• Backplane ad alta velocità

• Server e apparecchiature per l’archiviazione dati

• Sistemi di comunicazione ad alta velocità

• Moduli RF e a microonde

• Sistemi radar e per la sensoristica automobilistica

• apparecchiature per reti 5G e a onde millimetriche

• Prodotti di test e misura di precisione

La rugosità del rame può influenzare la costante dielettrica (Dk) e la velocità di propagazione?

La rugosità del rame non modifica la composizione chimica del laminato dielettrico. Tuttavia, può influenzare il comportamento del segnale nella linea di trasmissione completata.

Rogers riferisce che il rame grezzo può rallentare la propagazione delle onde elettromagnetiche. Di conseguenza, il valore efficace di Dk — ovvero quello percepito dal circuito e ricavato dalle misure — potrebbe apparire superiore al vero valore di Dk del materiale dielettrico.

• Ritardo di propagazione del segnale

• Risposta in fase

• Dk efficace

• Modellazione dell’impedenza

• Predizione della perdita per inserzione

Per le simulazioni ad alta frequenza, l’uso esclusivo dei valori nominali di Dk e Df di un laminato potrebbe non rappresentare appieno il circuito realizzato. Quando è richiesta una modellazione accurata, occorre inoltre considerare il tipo di foglia di rame, il profilo superficiale e il processo di fabbricazione.

Rame standard, rame VLP e rame HVLP

Il rame elettrodeposto standard presenta generalmente un profilo superficiale più pronunciato. Le alternative a basso profilo, comunemente indicate come rame VLP o rame HVLP, sono progettate per offrire un’interfaccia più liscia pur mantenendo prestazioni di adesione adeguate.

L’uso di rame a basso profilo può contribuire a ridurre le perdite nel conduttore, ma la sola designazione non fornisce tutte le informazioni necessarie per prevedere le prestazioni del circuito. Gli ingegneri dovrebbero inoltre considerare:

• Dati sulla rugosità del rame

• Spessore di rame

• Costruzione del laminato

• Spessore del dielettrico

• Geometria della linea di trasmissione

• Trattamento di legatura

• Frequenza operativa richiesta

• Prestazioni target di perdita d’inserzione

Fornitori diversi di fogli di rame e sistemi di laminato possono utilizzare costruzioni differenti. L’esatta opzione di rame deve pertanto essere confermata con il fornitore del materiale per PCB e con il produttore.

Perché non usare sempre il rame più liscio?

Il foglio di rame deve garantire sia prestazioni elettriche sia adesione affidabile al materiale dielettrico. Una superficie più ruvida può migliorare il legame meccanico, ma potrebbe aumentare le perdite nel conduttore. Una superficie più liscia può ridurre le perdite nel conduttore, ma il laminato e il sistema di legatura devono comunque fornire una resistenza allo strappo sufficiente e un’affidabilità produttiva adeguata.

• Requisiti relativi alla perdita di segnale

• Adesione rame-dielettrico

• Affidabilità termica

• Disponibilità dei materiali

• Realizzabilità

• Costo del progetto

Le tecnologie moderne per laminati e trattamenti del rame mirano a bilanciare una minore perdita conduttiva con prestazioni di adesione adeguate.

In che modo la produzione di PCB può influenzare la rugosità del rame

La rugosità del rame è influenzata non solo dalla pellicola di rame originale, ma anche dal processo di produzione del PCB. Durante la produzione di multistrato, la superficie di rame può essere trattata prima della laminazione per migliorarne l’adesione al prepreg. Il trattamento ossidativo o alternativo all’ossido scelto può influenzare l’interfaccia finale vista dal segnale.

Una ricerca pubblicata da IPC, condotta congiuntamente da AT&S e dall’Università Tecnica di Vienna, identifica la qualità della pellicola di rame e il trattamento sostitutivo dell’ossido come fattori importanti nel controllo delle perdite correlate al rame.

• Combinazioni approvate di laminato e pellicola di rame

• Trattamento di adesione per strati interni

• Parametri di laminazione

• Spessore di rame

• Larghezza e geometria delle piste

• Coerenza della procedura di incisione

• Impedenza finale e prestazioni elettriche

Sostituire un laminato o una lamiera di rame senza considerare questi fattori potrebbe modificare le prestazioni della scheda a circuito stampato, anche se il componente sostitutivo presenta valori nominali di Dk e Df simili.

Cosa dovrebbero includere gli ingegneri nella specifica della scheda a circuito stampato?

Per progetti ad alta velocità o ad alta frequenza, la semplice indicazione di un «materiale a bassa perdita» potrebbe non costituire un requisito completo. Informazioni utili per la fabbricazione possono includere:

• Marchio e grado del laminato approvati

• Tipo o profilo richiesto della lamiera di rame

• Spessore richiesto della lamiera di rame

• Valori e tolleranze dell’impedenza controllata

• Stratificazione e spessore dielettrico

• Requisito massimo di perdita d’inserzione, se applicabile

• Frequenza operativa o velocità dati

• Requisiti per i campioni di prova

• Materiali alternativi accettabili

• Metodo di validazione o prova richiesto

Se il materiale originale è difficile da reperire, qualsiasi materiale alternativo proposto deve essere valutato considerando l’intera costruzione del materiale, non soltanto i valori di Dk e Df.

Cosa devono verificare gli uffici acquisti e le aziende EMS?

I team acquisti e i fornitori EMS non devono necessariamente definire autonomamente ogni parametro del rame. Prima di approvare una sostituzione di materiale, è utile chiedersi:

• L’alternativa utilizza un profilo di foglia di rame comparabile?

• Verrà utilizzato lo stesso trattamento di incollaggio dello strato interno?

• La sostituzione potrebbe influire sulla perdita d'inserzione o sull'impedenza?

• La struttura proposta è supportata dal fornitore del laminato?

• È possibile fornire campioni per il controllo dell'impedenza o test di perdita, se richiesto?

Queste domande aiutano a ridurre il rischio di approvare un materiale basandosi esclusivamente su un valore Dk simile o su una generica classificazione «a bassa perdita».

Come si possono verificare gli effetti della rugosità del rame?

Il metodo di verifica appropriato dipende dall'intervallo di frequenza del progetto, dalla lunghezza del canale e dai requisiti prestazionali.

• Revisione dei dati relativi al laminato e alla foglia di rame

• Test di impedenza controllata

• Ispezione al microscopio metallografico

• Misurazioni della perdita d'inserzione

• Test nel dominio del tempo o nel dominio della frequenza

• Confronto tra campioni di prova e modelli di simulazione

Per applicazioni esigenti, il metodo di misura e i limiti di accettazione devono essere concordati prima della produzione.

Conclusione

La rugosità della foglia di rame è un fattore importante, sia dal punto di vista produttivo che dei materiali, per le PCB ad alta velocità e ad alta frequenza. Con l'aumentare della frequenza, l'effetto pelle concentra la corrente nelle vicinanze della superficie del rame. Un'interfaccia più ruvida tra rame e dielettrico può aumentare la resistenza del conduttore e la perdita d'inserzione. Può inoltre influenzare la risposta di fase, la velocità di propagazione e la costante dielettrica efficace (Dk) osservata nelle misure sui circuiti.

Il rame a basso profilo può contribuire a ridurre tali effetti, ma le prestazioni elettriche devono essere bilanciate con l'adesione tra rame e dielettrico e con l'affidabilità produttiva. L'approccio migliore consiste nel valutare laminato, foglia di rame, stack-up, trattamento di legatura e requisiti prestazionali come un'unica costruzione completa di PCB.