Dlaczego chropowatość folii miedzianej ma znaczenie w płytach PCB przeznaczonych do pracy z wysoką prędkością i na wysokich częstotliwościach?

Wybór materiału do płyty PCB przeznaczonej do pracy z wysoką prędkością lub na wysokich częstotliwościach koncentruje się często na stałej dielektrycznej (Dk) oraz współczynniku strat (Df). Jednak przewodnik miedziany również wpływa na całkowite straty transmisji.

Jednym ważnym, choć czasem pomijanym parametrem jest chropowatość folii miedzianej, szczególnie na granicy między przewodnikiem miedzianym a materiałem dielektrycznym płyty PCB.

W miarę jak częstotliwość sygnału i szybkość transmisji danych rosną, cechy powierzchni miedzi mogą silniej wpływać na straty przewodnika, straty wstawienia, odpowiedź fazową oraz propagację sygnału. Profil folii miedzianej należy zatem rozpatrywać łącznie z właściwościami laminatu, konstrukcją warstw (stack-up) oraz procesami produkcyjnymi płytek PCB.

Czym jest chropowatość folii miedzianej?

Miedź stosowana w laminatach PCB nie jest idealnie gładka. Pewien stopień tekstury powierzchniowej jest niezbędny do zapewnienia adhezji mechanicznej między folią miedzianą a materiałem dielektrycznym. W trakcie produkcji wielowarstwowych płytek PCB mogą być również stosowane dodatkowe metody obróbki powierzchni w celu poprawy połączenia między miedzią a prepregiem.

Dla wydajności w zakresie wysokich częstotliwości istotna jest głównie chropowatość powierzchni miedzi na granicy miedź–dielektryk. Rogers Corporation informuje, że ta granica może wpływać na straty wstawienia, odpowiedź fazową oraz prędkość propagacji. Może również wpływać na wartość Dk wyznaczaną na podstawie pomiarów wykonanych na rzeczywistym obwodzie.

Dlaczego chropowatość miedzi zwiększa straty przewodnika?

Przy prądzie stałym lub stosunkowo niskich częstotliwościach prąd elektryczny wykorzystuje większą część przekroju poprzecznego przewodnika. W miarę wzrostu częstotliwości prąd skupia się bliżej powierzchni przewodnika. Zjawisko to znane jest jako efekt naskórkowy.

Skuteczna głębokość, na której przepływa większość prądu, zmniejsza się wraz ze wzrostem częstotliwości. Gdy powierzchnia miedzi jest chropowata, prąd napotyka bardziej złożony interfejs miedź–dielektryk. To zwiększa skuteczną rezystancję przewodnika i może przyczynić się do wyższych strat przewodnika.

Firma Rogers wyjaśnia, że wpływ ten staje się bardziej znaczący, gdy głębokość naskórkowa jest mała w porównaniu do profilu chropowatości. Dlatego też chropowatość miedzi zyskuje większe znaczenie w zastosowaniach mikrofalowych, milimetrowych oraz w szybkich układach cyfrowych.

Straty miedzi stanowią jedynie jedną część strat wstawiania PCB

Całkowite straty wstawiania nie są spowodowane pojedynczym czynnikiem. Mogą obejmować:

• Strata dielektryczna

• Strata przewodnika

• Straty promieniowania

• Straty związane z otworami przejściowymi, łącznikami oraz innymi nieciągłościami

Współczynnik strat dielektrycznych (Df) materiału dielektrycznego jest ściśle związany ze stratami dielektrycznymi, podczas gdy przewodność miedzi, geometria ścieżek i chropowatość powierzchni wpływają na straty w przewodnikach. Zastosowanie laminatu o niskim współczynniku Df pozwala zmniejszyć straty dielektryczne, jednak oczekiwane polepszenie może być częściowo ograniczone, jeśli płyta PCB wykorzystuje bardzo chropowatą miedź lub nieodpowiednie zabiegi wiązania.

Niezbędne jest jednoczesne ocenianie materiału dielektrycznego oraz konstrukcji miedzianej w celu zapewnienia niezawodnej płyty PCB o niskich stratach.

Wpływ chropowatości miedzi na straty wtrącenia

Straty wtrącenia opisują, ile mocy sygnału ulega utracie podczas jego przemieszczania się przez ścieżkę transmisyjną. Chropowatsza miedź zwykle powoduje większe straty w przewodnikach niż gładka miedź, a różnica ta staje się coraz bardziej istotna wraz ze wzrostem częstotliwości.

Rogers zauważa, że chropowatość miedzi może wywierać większy wpływ na straty wtrąceniowe, gdy podłoże jest cienkie. W przypadku długich kanałów transmisji wysokiej prędkości nawet stosunkowo niewielki wzrost strat na jednostkę długości może stać się istotny na całym torze sygnału.

To zagadnienie ma znaczenie dla:

• Płytek głównych wysokiej prędkości

• Serwerów i urządzeń do przechowywania danych

• Systemów komunikacji wysokiej prędkości

• Modułów RF i mikrofalowych

• Systemów radarowych i czujników motocyklowych

• urządzeń 5G i fal milimetrowych

• Precyzyjnych produktów pomiarowych i diagnostycznych

Czy chropowatość miedzi może wpływać na wartość Dk i prędkość propagacji?

Chropowatość miedzi nie zmienia składu chemicznego laminatu dielektrycznego. Może jednak wpływać na zachowanie sygnału w gotowej linii transmisyjnej.

Firma Rogers informuje, że chropowata miedź może spowalniać propagację fal elektromagnetycznych. W rezultacie efektywna stała dielektryczna (Dk) lub Dk postrzegana przez obwód, wyznaczona na podstawie pomiarów, może wydawać się wyższa niż rzeczywista wartość Dk materiału dielektrycznego.

• Opóźnienie propagacji sygnału

• Odpowiedź fazowa

• Efektywna stała dielektryczna (Dk)

• Modelowanie impedancji

• Przewidywanie strat włożeniowych

W symulacjach wysokiej częstotliwości użycie wyłącznie nominalnych wartości Dk i Df laminatu może nie oddawać w pełni właściwości wykonanego obwodu. W przypadku dokładnego modelowania należy również uwzględnić typ folii miedzianej, profil jej powierzchni oraz proces wytwarzania.

Miedź standardowa, VLP i HVLP

Standardowa miedź nanoszona elektrochemicznie charakteryzuje się zazwyczaj bardziej wyrażonym profilem powierzchniowym. Opcje miedzi o niskim profilu, często określane jako miedź VLP lub HVLP, zostały zaprojektowane tak, aby zapewnić gładką powierzchnię przy jednoczesnym zachowaniu wystarczającej wydajności połączenia.

Zastosowanie miedzi o niskim profilu może pomóc zmniejszyć straty przewodnika, ale sama nazwa nie zawiera wszystkich informacji potrzebnych do przewidywania wydajności obwodu. Inżynierowie powinni również wziąć pod uwagę:

• Dane dotyczące chropowatości miedzi

• Grubość miedzi

• Konstrukcję laminatu

• Grubość dielektryka

• Geometrię linii transmisyjnej

• Obróbkę wiązania

• Wymaganą częstotliwość pracy

• Docelową wydajność strat wstawiania

Różni dostawcy folii i systemy laminatów mogą stosować różne konstrukcje. Dokładny wybór miedzi należy więc potwierdzić u dostawcy materiałów do PCB oraz u producenta.

Dlaczego nie stosować zawsze najbardziej gładkiej miedzi?

Folia miedziana musi zapewniać zarówno wydajność elektryczną, jak i niezawodne przyczepienie do materiału dielektrycznego. Chropowatsza powierzchnia może poprawić wiązanie mechaniczne, ale może zwiększyć straty w przewodniku. Gładka powierzchnia może zmniejszyć straty w przewodniku, jednak układ laminatu i połączenia nadal musi zapewniać wystarczającą wytrzymałość na oderwanie oraz niezawodność w procesie produkcji.

• Wymagania dotyczące strat sygnału

• Przyczepność miedzi do dielektryka

• Niezdrowość cieplna

• Dostępność materiałów

• Wyprodukowalność

• Koszt projektu

Nowoczesne technologie laminatów i obróbki miedzi mają na celu osiągnięcie równowagi między niższymi stratami w przewodniku a odpowiednią wydajnością łączenia.

W jaki sposób produkcja płytek PCB może wpływać na chropowatość miedzi

Chropowatość miedzi zależy nie tylko od pierwotnej folii miedzianej, ale także od procesu produkcji płytek PCB. W trakcie produkcji wielowarstwowej powierzchnia miedzi może zostać poddana obróbce przed laminowaniem w celu poprawy przyczepności do prepregu. Wybrana obróbka tlenkowa lub alternatywna dla tlenkowej może wpływać na ostateczny charakter interfejsu widocznego dla sygnału.

Opublikowane przez IPC badania z udziałem AT&S oraz Wiedeńskiej Politechniki identyfikują jako istotne czynniki kontrolujące straty związane z miedzią jakość folii miedzianej oraz obróbkę zastępczą tlenków.

• Zatwierdzone kombinacje laminatów i folii miedzianych

• Obróbka wiązania warstw wewnętrznych

• Parametry laminowania

• Grubość miedzi

• Szerokość i geometria ścieżek

• Spójność trawienia

• Ostateczna impedancja i właściwości elektryczne

Zamiana laminatu lub folii miedzianej bez uwzględnienia tych czynników może zmienić wydajność płytki PCB, nawet jeśli zamiennik ma podobne nominalne wartości Dk i Df.

Co inżynierowie powinni zawrzeć w specyfikacji płytki PCB?

W projektach wysokiej prędkości lub wysokiej częstotliwości sam termin „materiał o niskich stratach” może nie stanowić pełnego wymogu. Przydatne informacje dotyczące produkcji mogą obejmować:

• Zatwierdzona marka laminatu i klasa materiału

• Wymagany typ lub profil folii miedzianej

• Wymagana grubość miedzi

• Wartości i tolerancje impedancji kontrolowanej

• Układ warstw i grubość dielektryka

• Maksymalne wymaganie dotyczące strat wtrąceniowych, o ile dotyczy

• Częstotliwość robocza lub szybkość transmisji danych

• Wymagania dotyczące próbek testowych

• Dozwolone materiały alternatywne

• Wymagana metoda walidacji lub testu

Jeśli oryginalny materiał jest trudny do uzyskania, każdą proponowaną alternatywę należy ocenić na podstawie pełnej konstrukcji materiału, a nie wyłącznie na podstawie wartości Dk i Df.

Co powinny potwierdzić zespoły zakupowe i firmy EMS?

Zespoły zakupowe oraz dostawcy usług EMS nie muszą koniecznie określać każdego parametru miedzi samodzielnie. Przed zatwierdzeniem substytucji materiału warto zadać następujące pytania:

• Czy alternatywny materiał wykorzystuje porównywalny profil folii miedzianej?

• Czy zastosowana zostanie ta sama metoda obróbki wiązania warstw wewnętrznych?

• Czy substytucja może wpłynąć na straty wtrąceniowe lub impedancję?

• Czy zaproponowana konstrukcja jest wspierana przez dostawcę laminatu?

• Czy w razie potrzeby można dostarczyć próbki do pomiaru impedancji lub przeprowadzić testy strat?

Te pytania pomagają zmniejszyć ryzyko zatwierdzenia materiału wyłącznie na podstawie podobnej wartości Dk lub ogólnej klasyfikacji jako „niskostatowego”.

W jaki sposób można zweryfikować wpływ chropowatości miedzi?

Odpowiednia metoda weryfikacji zależy od zakresu częstotliwości projektu, długości kanału oraz wymagań dotyczących wydajności.

• Przegląd danych dotyczących laminatu i folii miedzianej

• Testy impedancji kontrolowanej

• Inspekcja mikroprzekroju

• Pomiary strat wstawiania

• Testy w dziedzinie czasu lub w dziedzinie częstotliwości

• Porównanie próbek testowych z modelami symulacyjnymi

W przypadku wymagających zastosowań metodę pomiarową oraz granice akceptacji należy uzgodnić przed rozpoczęciem produkcji.

Wniosek

Chropowatość folii miedzianej jest ważnym czynnikiem technologicznym i materiałowy dla płytek PCB przeznaczonych do pracy z wysoką prędkością i na wysokich częstotliwościach. Wraz ze wzrostem częstotliwości efekt naskórkowy skupia prąd w pobliżu powierzchni miedzi. Chropowatszy interfejs między miedzią a dielektrykiem może zwiększać opór przewodnika i straty wstawiania. Może również wpływać na odpowiedź fazową, prędkość propagacji oraz efektywną wartość stałej dielektrycznej (Dk) obserwowaną w pomiarach obwodów.

Niskoprofilowa miedź może pomóc zmniejszyć te efekty, ale wydajność elektryczna musi być zrównoważona z przyczepnością miedzi do dielektryka oraz niezawodnością procesu produkcyjnego. Najlepszym podejściem jest ocena laminatu, folii miedzianej, układu warstw, obróbki wiązania oraz wymagań dotyczących wydajności jako jednej kompleksowej konstrukcji płytki PCB.