Waarom is de ruwheid van koperfolie belangrijk bij hoog-snelheids- en hoog-frequentie-printplaten?

De keuze van materiaal voor een hoogfrequent of snelle printplaat richt zich vaak op de diëlektrische constante (Dk) en de dissipatiefactor (Df). De koperen geleider draagt echter ook bij aan het totale transmissieverlies.

Een belangrijke, maar soms over het hoofd gezien parameter is de ruwheid van de koperfolie, met name aan de interface tussen de koperen geleider en het diëlektrische materiaal van de printplaat.

Naarmate de signaalfrequentie en de datarate stijgen, kunnen de kenmerken van het koperoppervlak meer invloed uitoefenen op het geleidingsverlies, het invoegverlies, de faserespons en de signaalvoortplanting. Het profiel van de koperfolie dient daarom samen met de eigenschappen van het laminermateriaal, het stack-up-ontwerp en de productieprocessen voor printplaten te worden overwogen.

Wat is koperfolieruwheid?

Het koper dat wordt gebruikt in PCB-laminaten is niet volkomen glad. Een zekere mate van oppervlaktestructuur is noodzakelijk om mechanische hechting tussen de koperfolie en het diëlektrisch materiaal te waarborgen. Tijdens de productie van meervoudige PCB-lagen kan ook een extra oppervlaktebehandeling worden toegepast om de hechting tussen koper en prepreg te verbeteren.

De relevante ruwheid voor hoogfrequentieprestaties betreft voornamelijk het koperoppervlak aan de koper-naar-diëlektrum-interface. Rogers Corporation meldt dat deze interface invloed kan uitoefenen op de inzetverliezen, de faserespons en de voortplantingssnelheid. Ook kan deze interface van invloed zijn op de Dk-waarde die wordt afgeleid uit metingen op een werkelijke schakeling.

Waarom verhoogt koper-ruwheid de geleiderverliezen?

Bij gelijkstroom of relatief lage frequenties gebruikt de elektrische stroom een groter deel van de dwarsdoorsnede van de geleider. Naarmate de frequentie toeneemt, concentreert de stroom zich steeds meer nabij het oppervlak van de geleider. Dit verschijnsel staat bekend als het ‘skin effect’.

De effectieve diepte waarbinnen het grootste deel van de stroom stroomt, wordt kleiner naarmate de frequentie stijgt. Wanneer het koperoppervlak ruw is, komt de stroom in aanraking met een complexere koper-dielectricum-grens. Dit verhoogt de effectieve geleiderweerstand en kan bijdragen aan hogere geleiderverliezen.

Rogers legt uit dat de invloed sterker wordt wanneer de huiddiepte klein is ten opzichte van het ruwheidsprofiel. Daarom wordt koperruwheid in microgolf-, millimetergolf- en high-speed-digitale toepassingen extra nadrukkelijk bestudeerd.

Koperverlies is slechts één onderdeel van de PCB-invoegverliezen

De totale invoegverliezen worden niet veroorzaakt door één enkele factor. Ze kunnen omvatten:

• Diellectrische verlies

• Geleiderverlies

• Stralingsverliezen

• Verliezen in verband met via’s, connectoren en andere discontinuïteiten

De Df van het diëlektrisch materiaal is nauw verbonden met het diëlektrisch verlies, terwijl de kopergeleidbaarheid, de trace-geometrie en de oppervlakteruwheid bijdragen aan het geleiderverlies. Het selecteren van een laag-Df-laminaat kan het diëlektrisch verlies verminderen, maar de verwachte verbetering kan gedeeltelijk beperkt zijn als de PCB zeer ruw koper of een ongeschikte hechtingbehandeling gebruikt.

Een betrouwbare laag-verlies PCB vereist dat het diëlektrisch materiaal en de koperconstructie gezamenlijk worden geëvalueerd.

Hoe koperoppervlakteruwheid het invoegverlies beïnvloedt

Invoegverlies beschrijft hoeveel signaalvermogen verloren gaat terwijl een signaal door een transmissiepad reist. Ruwer koper veroorzaakt over het algemeen meer geleiderverlies dan gladder koper, en dit verschil wordt relevanter naarmate de frequentie stijgt.

Rogers wijst erop dat koperoppervlakteruwheid een grotere invloed op het invoegverlies kan hebben wanneer het substraat dun is. Voor lange hoog-snelheidstransmissiekanaalen kan zelfs een relatief kleine toename van het verlies per lengte-eenheid belangrijk worden over het volledige signaalpad.

Deze overweging is van belang voor:

• High-speed backplanes

• Servers en opslagapparatuur voor gegevens

• High-speed communicatiesystemen

• RF- en microgolfmodules

• Radarsystemen en automobielzensorsystemen

• 5G- en millimetergolfapparatuur

• Precisietest- en meetproducten

Kan de ruwheid van koper de Dk en de voortplantingssnelheid beïnvloeden?

De ruwheid van koper verandert niet de chemische samenstelling van de diëlektrische laminaat. Het kan echter wel van invloed zijn op het gedrag van een signaal in de voltooide transmissielijn.

Rogers meldt dat ruw koper de voortplanting van elektromagnetische golven kan vertragen. Daardoor kan de effectieve of circuit-gevoelde Dk, afgeleid uit metingen, hoger lijken dan de werkelijke Dk van het diëlektrische materiaal.

• Signaalvoortplantingsvertraging

• Faserespons

• Effectieve Dk

• Impedantiemodellering

• Invoerverliesvoorspelling

Voor hoogfrequentie-simulaties kan het gebruik van alleen de nominale Dk- en Df-waarden van een laminaat onvoldoende zijn om het gefabriceerde circuit volledig weer te geven. Bij nauwkeurige modellering dienen ook het type koperfolie, het oppervlakprofiel en het fabricageproces in aanmerking te worden genomen.

Standaardkoper, VLP-koper en HVLP-koper

Standaard elektrogegoten koper heeft over het algemeen een duidelijker oppervlakprofiel. Koper met een laag profiel, vaak aangeduid als VLP- of HVLP-koper, is ontworpen om een gladdere interface te bieden terwijl voldoende hechtingsprestaties worden behouden.

Het gebruik van koper met een lage profielhoogte kan helpen om geleiderverliezen te verminderen, maar de aanduiding alleen geeft niet alle informatie die nodig is om de circuitprestaties te voorspellen. Ingenieurs moeten ook rekening houden met:

• Gegevens over de ruwheid van het koper

• Dikte van koper

• Opbouw van het laminaat

• Dielktrische dikte

• Geometrie van de transmissielijn

• Behandeling voor hechting

• Vereiste werkfrequentie

• Gewenste prestaties voor inzetverlies

Verschillende leveranciers van folie en laminaatsystemen kunnen verschillende opbouwen gebruiken. De exacte koperoptie dient daarom te worden bevestigd bij de leverancier van het PCB-materiaal en de fabrikant.

Waarom niet altijd het gladste koper gebruiken?

Koperfolie moet zowel elektrische prestaties als betrouwbare hechting aan het diëlektrisch materiaal bieden. Een ruwere oppervlakte kan de mechanische hechting verbeteren, maar kan geleiderverliezen verhogen. Een gladder oppervlakte kan geleiderverliezen verminderen, maar het laminaat en het hechtingsysteem moeten nog steeds voldoende scheursterkte en productiebetrouwbaarheid bieden.

• Eisen-gebreksvereisten

• Hechting tussen koper en diëlektricum

• Thermische betrouwbaarheid

• Beschikbaarheid van materialen

• Te-produceren

• Projectkosten

Moderne laminaten- en koperbehandelingstechnologieën streven ernaar om lagere geleiderverliezen te combineren met geschikte hechtingsprestaties.

Hoe PCB-productie koperoppervlakruwheid kan beïnvloeden

Koperoppervlakruwheid wordt niet alleen bepaald door de oorspronkelijke koperfolie, maar ook door het PCB-productieproces. Tijdens de productie van meervoudige lagen kan het koperoppervlak vóór laminering worden behandeld om de hechting aan de prepreg te verbeteren. De gekozen oxide- of oxide-vrij vervangende behandeling kan invloed uitoefenen op de uiteindelijke interface die door het signaal wordt waargenomen.

Onderzoek gepubliceerd door IPC, waarbij AT&S en de Technische Universiteit Wenen betrokken zijn, identificeert koperfoliekwaliteit en oxide-vrije vervangende behandeling als belangrijke factoren bij het beheersen van kopergerelateerde verliezen.

• Goedgekeurde combinaties van laminaat en koperfolie

• Behandeling voor hechting van binnenlagen

• Laminatieparameters

• Dikte van koper

• Spoorbreedte en -geometrie

• Etsconsistentie

• Uiteindelijke impedantie en elektrische prestaties

Het vervangen van een laminaat of koperfolie zonder rekening te houden met deze factoren kan de PCB-prestaties veranderen, zelfs als de vervanging vergelijkbare nominale Dk- en Df-waarden heeft.

Wat moeten ingenieurs opnemen in de PCB-specificatie?

Voor high-speed- of high-frequencyprojecten is een „lage-verliesmateriaal“ alleen mogelijk niet voldoende. Nuttige fabricage-informatie kan onder meer omvatten:

• Goedgekeurd laminaatmerk en materiaalkwaliteit

• Type koperfolie of profielvereiste

• Vereiste koperdikte

• Gecontroleerde impedantiewaarden en toleranties

• Opbouw en diëlektrische dikte

• Maximale vereiste inzetverlies, indien van toepassing

• Werkfrequentie of gegevenssnelheid

• Vereisten voor testcoupons

• Toegestane alternatieve materialen

• Vereiste validatie- of testmethode

Indien het oorspronkelijke materiaal moeilijk verkrijgbaar is, dient elk voorgesteld alternatief te worden beoordeeld op basis van de volledige materiaalopbouw, niet alleen op basis van Dk en Df.

Wat moeten inkoop- en EMS-bedrijven bevestigen?

Inkoopteams en EMS-aanbieders hoeven niet per se elke koperparameter zelf te definiëren. Voordat een materiaalvervanging wordt goedgekeurd, is het nuttig om de volgende vragen te stellen:

• Gebruikt het alternatief een vergelijkbaar koperfolieprofiel?

• Word dezelfde binnenlaag-bondingbehandeling gebruikt?

• Kan de vervanging invloed hebben op de inzetverliezen of de impedantie?

• Wordt de voorgestelde opbouw ondersteund door de laminatenleverancier?

• Kunnen, indien vereist, impedantiecoupons of verliesmetingen worden geleverd?

Deze vragen helpen het risico te verminderen van goedkeuring van een materiaal op basis van alleen een vergelijkbare Dk-waarde of een algemene classificatie als ‘lage-verlies’.

Hoe kunnen effecten van koperoppervlakteruwheid worden geverifieerd?

De geschikte verificatiemethode hangt af van het frequentiebereik, de kanaallengte en de prestatievereisten van het project.

• Beoordeling van gegevens over laminaat en koperfolie

• Impedantiecontrole

• Microdoorsnede-inspectie

• Metingen van de inzetverliezen

• Testen in het tijdsdomein of frequentiedomein

• Vergelijking tussen testcoupons en simulatiemodellen

Voor veeleisende toepassingen dienen de meetmethode en de aanvaardingsgrenzen vóór de productie te worden overeengekomen.

Conclusie

De ruwheid van koperfolie is een belangrijke fabricage- en materiaaloverweging voor hoog-snelheids- en hoogfrequentie-printplaten. Naarmate de frequentie stijgt, concentreert het ‘skin effect’ de stroom dicht bij het koperoppervlak. Een ruwere koper-dielectricum-grens kan de geleiderweerstand en het inzetverlies verhogen. Het kan ook invloed hebben op de faserespons, de voortplantingssnelheid en de effectieve Dk die wordt waargenomen in circuitmetingen.

Koperfolie met een lage profielhoogte kan deze effecten verminderen, maar de elektrische prestaties moeten worden afgewogen tegen de hechting tussen koper en dielectricum en de betrouwbaarheid tijdens de fabricage. De beste aanpak is om het laminaat, de koperfolie, de stack-up, de hechtingsbehandeling en de prestatievereisten als één volledige printplaatconstructie te beoordelen.