Por Que a Rugosidade da Folia de Cobre é Importante em PCBs de Alta Velocidade e Alta Frequência?

A seleção de materiais para uma placa de circuito impresso (PCB) de alta velocidade ou alta frequência frequentemente concentra-se na constante dielétrica (Dk) e no fator de dissipação (Df). Contudo, o condutor de cobre também contribui para a perda total de transmissão.

Um parâmetro importante, embora por vezes negligenciado, é a rugosidade da folha de cobre, especialmente na interface entre o condutor de cobre e o material dielétrico da PCB.

À medida que a frequência do sinal e a taxa de dados aumentam, as características da superfície de cobre podem exercer maior influência sobre a perda no condutor, a perda de inserção, a resposta de fase e a propagação do sinal. O perfil da folha de cobre deve, portanto, ser considerado em conjunto com as propriedades do laminado, o projeto da pilha de camadas (stack-up) e os processos de fabricação da PCB.

O que é a rugosidade da folha de cobre?

O cobre utilizado em laminados de PCB não é perfeitamente liso. Certa rugosidade superficial é necessária para garantir a adesão mecânica entre a folha de cobre e o material dielétrico. Durante a fabricação de PCB multicamadas, pode-se aplicar também um tratamento superficial adicional para melhorar a ligação entre o cobre e o pré-impregnado (prepreg).

A rugosidade relevante para o desempenho em alta frequência é principalmente a superfície do cobre na interface cobre-dielétrico. A Rogers Corporation relata que essa interface pode influenciar a perda por inserção, a resposta de fase e a velocidade de propagação. Ela também pode afetar o valor de Dk extraído de medições realizadas em um circuito real.

Por que a rugosidade do cobre aumenta as perdas no condutor?

Em corrente contínua ou em frequências relativamente baixas, a corrente elétrica utiliza uma maior fração da área da seção transversal do condutor. À medida que a frequência aumenta, a corrente concentra-se cada vez mais próximo da superfície do condutor. Esse fenômeno é conhecido como efeito pelicular (skin effect).

A profundidade efetiva pela qual a maior parte da corrente flui torna-se menor à medida que a frequência aumenta. Quando a superfície do cobre é rugosa, a corrente encontra uma interface cobre-dielétrico mais complexa. Isso aumenta a resistência efetiva do condutor e pode contribuir para maiores perdas no condutor.

A Rogers explica que essa influência torna-se mais significativa quando a profundidade de pelicular é pequena em relação ao perfil de rugosidade. É por isso que a rugosidade do cobre recebe maior atenção em aplicações de micro-ondas, ondas milimétricas e digitais de alta velocidade.

As perdas no cobre representam apenas uma parte das perdas por inserção em PCBs

A perda total por inserção não é causada por um único fator. Pode incluir:

• Perda Dielétrica

• Perda no Condutor

• Perdas por radiação

• Perdas associadas a vias, conectores e outras descontinuidades

O fator de dissipação (Df) do material dielétrico está intimamente relacionado à perda dielétrica, enquanto a condutividade do cobre, a geometria das trilhas e a rugosidade da superfície contribuem para a perda no condutor. A seleção de um laminado de baixo Df pode reduzir a perda dielétrica, mas a melhoria esperada pode ser parcialmente limitada se a placa de circuito impresso utilizar cobre muito rugoso ou um tratamento de ligação inadequado.

Uma placa de circuito impresso confiável de baixa perda exige que o material dielétrico e a construção em cobre sejam avaliados em conjunto.

Como a Rugosidade do Cobre Afeta a Perda por Inserção

A perda por inserção descreve a quantidade de potência do sinal que é perdida à medida que o sinal se propaga ao longo de um caminho de transmissão. O cobre mais rugoso geralmente gera maior perda no condutor do que o cobre mais liso, e essa diferença torna-se mais relevante à medida que a frequência aumenta.

A Rogers observa que a rugosidade do cobre pode exercer influência maior sobre a perda por inserção quando o substrato é fino. Em canais de transmissão de alta velocidade longos, mesmo um pequeno aumento na perda por unidade de comprimento pode tornar-se significativo ao longo de todo o percurso do sinal.

Essa consideração é relevante para:

• Placas-mãe de alta velocidade

• Equipamentos de servidores e armazenamento de dados

• Sistemas de comunicação de alta velocidade

• Módulos de RF e micro-ondas

• Sistemas de radar e sensores automotivos

• equipamentos 5G e de ondas milimétricas

• Produtos de teste e medição de precisão

A rugosidade do cobre pode afetar a constante dielétrica (Dk) e a velocidade de propagação?

A rugosidade do cobre não altera a composição química do laminado dielétrico. Contudo, pode influenciar o comportamento de um sinal na linha de transmissão concluída.

Rogers relata que o cobre bruto pode retardar a propagação de ondas eletromagnéticas. Como resultado, o Dk efetivo ou percebido pelo circuito, extraído de medições, pode parecer maior do que o Dk real do material dielétrico.

• Atraso na propagação do sinal

• Resposta de fase

• Dk efetivo

• Modelagem de impedância

• Previsão de perda por inserção

Para simulações em alta frequência, utilizar apenas os valores nominais de Dk e Df de um laminado pode não representar integralmente o circuito fabricado. O tipo de folha de cobre, seu perfil superficial e o processo de fabricação também devem ser considerados quando se exige modelagem precisa.

Cobre padrão, cobre VLP e cobre HVLP

O cobre eletrodepositado padrão geralmente apresenta um perfil superficial mais pronunciado. As opções de cobre de baixo perfil, comumente denominadas cobre VLP ou HVLP, são projetadas para proporcionar uma interface mais lisa, mantendo ao mesmo tempo um desempenho adequado de adesão.

O uso de cobre de perfil baixo pode ajudar a reduzir as perdas no condutor, mas a designação isolada não fornece todas as informações necessárias para prever o desempenho do circuito. Os engenheiros também devem considerar:

• Dados sobre a rugosidade do cobre

• Espessura de cobre

• Construção do laminado

• Espessura do dielétrico

• Geometria da linha de transmissão

• Tratamento de ligação

• Frequência operacional exigida

• Desempenho-alvo de perda por inserção

Diferentes fornecedores de folhas de cobre e sistemas de laminados podem utilizar construções distintas. A opção exata de cobre deve, portanto, ser confirmada junto ao fornecedor do material para PCB e ao fabricante.

Por que não usar sempre o cobre mais liso?

A folha de cobre deve garantir tanto desempenho elétrico quanto aderência confiável ao material dielétrico. Uma superfície mais rugosa pode melhorar a ligação mecânica, mas pode aumentar as perdas no condutor. Uma superfície mais lisa pode reduzir as perdas no condutor, mas o laminado e o sistema de ligação ainda precisam oferecer resistência à tração e confiabilidade na fabricação suficientes.

• Requisitos de perda de sinal

• Adesão entre cobre e dielétrico

• Confiabilidade térmica

• Disponibilidade de Material

• Fabricabilidade

• Custo do Projeto

Tecnologias modernas de laminados e tratamentos de cobre visam equilibrar menores perdas condutoras com desempenho adequado de ligação.

Como a fabricação de PCBs pode afetar a rugosidade do cobre

A rugosidade do cobre é influenciada não apenas pela folha original de cobre, mas também pelo processo de fabricação de PCBs. Durante a produção de multicamadas, a superfície de cobre pode ser submetida a tratamento antes da laminação para melhorar a adesão ao prepreg. O tratamento oxidante ou alternativo à oxidação selecionado pode afetar a interface final vista pelo sinal.

Pesquisas publicadas pela IPC envolvendo a AT&S e a Universidade Técnica de Viena identificam a qualidade da folha de cobre e o tratamento substituto da oxidação como fatores importantes no controle das perdas relacionadas ao cobre.

• Combinações aprovadas de laminados e folhas de cobre

• Tratamento de ligação para camadas internas

• Parâmetros de laminação

• Espessura de cobre

• Largura e geometria das trilhas

• Consistência da gravação

• Impedância final e desempenho elétrico

Substituir um laminado ou folha de cobre sem considerar esses fatores pode alterar o desempenho da placa de circuito impresso (PCB), mesmo que a substituição tenha valores nominais de Dk e Df semelhantes.

O que os engenheiros devem incluir na especificação da PCB?

Para projetos de alta velocidade ou alta frequência, o mero requisito de "material de baixa perda" pode não ser suficiente. Informações úteis para fabricação podem incluir:

• Marca e grau do laminado aprovados

• Tipo ou perfil exigido da folha de cobre

• Espessura exigida do cobre

• Valores e tolerâncias de impedância controlada

• Empilhamento e espessura dielétrica

• Requisito máximo de perda por inserção, se aplicável

• Frequência de operação ou taxa de dados

• Requisitos para amostras de teste

• Materiais alternativos aceitáveis

• Método de validação ou teste exigido

Se o material original for difícil de obter, qualquer material alternativo proposto deve ser avaliado com base na construção completa do material, e não apenas nos valores de Dk e Df.

O Que as Equipes de Compras e as Empresas EMS Devem Confirmar?

As equipes de compras e os prestadores de serviços EMS não precisam necessariamente definir todos os parâmetros do cobre por conta própria. Antes de aprovar uma substituição de material, é útil perguntar:

• A alternativa utiliza um perfil de folha de cobre comparável?

• O mesmo tratamento de ligação da camada interna será utilizado?

• A substituição poderá afetar a perda por inserção ou a impedância?

• A estrutura proposta é suportada pelo fornecedor do laminado?

• É possível fornecer cupons de impedância ou testes de perda, quando necessário?

Essas perguntas ajudam a reduzir o risco de aprovar um material com base apenas em um valor de Dk semelhante ou em uma classificação genérica de “baixa perda”.

Como Verificar os Efeitos da Rugosidade do Cobre?

O método apropriado de verificação depende da faixa de frequência do projeto, do comprimento do canal e dos requisitos de desempenho.

• Revisão dos dados do laminado e da folha de cobre

• Testes de impedância controlada

• Inspeção por microseção

• Medições de perda por inserção

• Testes no domínio do tempo ou no domínio da frequência

• Comparação entre amostras de teste e modelos de simulação

Para aplicações exigentes, o método de medição e os limites de aceitação devem ser acordados antes da produção.

Conclusão

A rugosidade da folha de cobre é um fator importante de fabricação e de material para placas de circuito impresso (PCBs) de alta velocidade e alta frequência. À medida que a frequência aumenta, o efeito pelicular concentra a corrente próximo à superfície do cobre. Uma interface mais rugosa entre o cobre e o dielétrico pode aumentar a resistência do condutor e a perda por inserção. Também pode influenciar a resposta de fase, a velocidade de propagação e a constante dielétrica efetiva (Dk) observada nas medições do circuito.

Cobre de perfil baixo pode ajudar a reduzir esses efeitos, mas o desempenho elétrico deve ser equilibrado com a aderência entre o cobre e o dielétrico, bem como com a confiabilidade da fabricação. A melhor abordagem é avaliar o laminado, a folha de cobre, a estrutura de camadas (stack-up), o tratamento de ligação e os requisitos de desempenho como uma única construção completa de PCB.