Почему шероховатость медной фольги имеет значение в печатных платах высокой скорости и высокой частоты?

Выбор материала для печатной платы, предназначенной для работы на высокой скорости или высокой частоте, зачастую сосредоточен на диэлектрической проницаемости (Dk) и тангенсе угла потерь (Df). Однако медь, используемая в проводниках, также вносит вклад в общие потери при передаче сигнала.

Одним важным, но порой упускаемым из виду параметром является шероховатость медной фольги, особенно в области контакта медного проводника с диэлектрическим материалом печатной платы.

По мере роста частоты сигнала и скорости передачи данных характеристики поверхности меди оказывают всё большее влияние на потери в проводнике, потери при включении, фазовую характеристику и распространение сигнала. Поэтому профиль медной фольги следует рассматривать совместно со свойствами ламината, конструкцией многослойной структуры и технологическими процессами изготовления печатных плат.

Что такое шероховатость медной фольги?

Медь, используемая в слоистых платах печатного монтажа (PCB), не обладает идеально гладкой поверхностью. Определённая степень шероховатости поверхности необходима для обеспечения механического сцепления между медной фольгой и диэлектрическим материалом. При изготовлении многослойных PCB может также применяться дополнительная обработка поверхности для улучшения адгезии между медью и препрегом.

Для высокочастотных характеристик наиболее значимой является шероховатость медной поверхности на границе раздела медь–диэлектрик. Компания Rogers Corporation отмечает, что данная граница раздела может влиять на потери вносимого сигнала, фазовую характеристику и скорость распространения сигнала. Она также может оказывать влияние на значение эффективной диэлектрической проницаемости (Dk), определяемое по результатам измерений, проведённых на реальной схеме.

Почему увеличение шероховатости меди приводит к росту потерь в проводнике?

При постоянном токе или относительно низких частотах электрический ток проходит через бо́льшую часть поперечного сечения проводника. По мере роста частоты ток концентрируется ближе к поверхности проводника. Это явление известно как поверхностный эффект.

Эффективная глубина, на которой протекает большая часть тока, уменьшается по мере роста частоты. При шероховатой поверхности меди ток сталкивается со сложным медно-диэлектрическим интерфейсом. Это повышает эффективное сопротивление проводника и может привести к увеличению потерь в проводнике.

Компания Rogers поясняет, что влияние становится более значимым, когда толщина скин-слоя мала по сравнению с профилем шероховатости. Именно поэтому шероховатость меди уделяется повышенное внимание в микроволновых, миллиметровых и высокоскоростных цифровых приложениях.

Потери в меди — лишь одна составляющая потерь при включении печатной платы

Общие потери при включении вызываются не одним единственным фактором. К ним могут относиться:

• Диэлектрические потери

• Потери в проводнике

• Потери за счёт излучения

• Потери, связанные с переходными отверстиями, разъёмами и другими неоднородностями

Тангенс угла диэлектрических потерь (Df) диэлектрического материала тесно связан с диэлектрическими потерями, в то время как проводниковые потери определяются проводимостью меди, геометрией проводников и шероховатостью их поверхности. Выбор ламината с низким значением Df позволяет снизить диэлектрические потери, однако ожидаемое улучшение может быть частично ограничено, если в печатной плате используется чрезмерно шероховатая медь или неоптимальная технология соединения.

Надёжная печатная плата с низкими потерями требует совместной оценки диэлектрического материала и медной структуры.

Влияние шероховатости меди на потери вносимого сигнала

Потери вносимого сигнала характеризуют снижение мощности сигнала при его прохождении по линии передачи. Более шероховатая медь, как правило, вызывает бо́льшие проводниковые потери по сравнению с более гладкой медью, причём разница становится особенно значимой по мере роста частоты.

Компания Rogers отмечает, что шероховатость меди может оказывать более существенное влияние на потери вносимого сигнала при использовании тонкого диэлектрического слоя. Для длинных высокоскоростных линий передачи даже незначительное увеличение потерь на единицу длины может стать критичным на всём протяжении сигнального пути.

Это соображение актуально для:

• Высокоскоростных магистральных плат

• Серверного и оборудования для хранения данных

• Высокоскоростных систем связи

• RF- и СВЧ-модулей

• Радарных и автомобильных систем зондирования

• оборудования для сетей 5G и миллиметрового диапазона

• Продуктов точных испытаний и измерений

Может ли шероховатость меди влиять на Dk и скорость распространения сигнала?

Шероховатость меди не изменяет химический состав диэлектрического ламината. Однако она может повлиять на поведение сигнала в готовой линии передачи.

Rogers сообщает, что шероховатая медь может замедлять распространение электромагнитных волн. В результате эффективная диэлектрическая проницаемость (Dk), определяемая по измерениям, может оказаться выше фактического значения Dk диэлектрического материала.

• Задержка распространения сигнала

• Фазовый отклик

• Эффективная Dk

• Моделирование импеданса

• Прогнозирование потерь вносимого затухания

Для высокочастотного моделирования использование только номинальных значений Dk и Df ламината может не полностью отражать характеристики изготовленной печатной платы. При необходимости точного моделирования также следует учитывать тип медной фольги, профиль её поверхности и технологию изготовления.

Стандартная медь, медь VLP и медь HVLP

Стандартная электролитическая медь, как правило, имеет более выраженный профиль поверхности. Медные фольги с низким профилем, обычно обозначаемые как медь VLP или HVLP, разработаны для обеспечения более гладкого контакта при сохранении достаточной адгезии.

Использование медной фольги малой толщины может снизить потери в проводнике, однако одно только обозначение не содержит всей информации, необходимой для прогнозирования характеристик схемы. Инженерам следует также учитывать:

• Данные о шероховатости меди

• Толщина меди

• Конструкцию ламината

• Толщину диэлектрика

• Геометрию линии передачи

• Обработку поверхности под пайку

• Требуемую рабочую частоту

• Целевые характеристики потерь при прохождении сигнала

Разные поставщики медной фольги и ламинатных систем могут применять различные конструкции. Поэтому конкретный тип медной фольги необходимо согласовать с поставщиком материалов для печатных плат и с производителем.

Почему не всегда используется самая гладкая медь?

Медная фольга должна обеспечивать как электрические характеристики, так и надёжное сцепление с диэлектрическим материалом. Более шероховатая поверхность может улучшить механическое сцепление, но одновременно увеличить потери в проводнике. Более гладкая поверхность снижает потери в проводнике, однако ламинат и система соединения должны по-прежнему обеспечивать достаточную прочность отслаивания и надёжность в процессе производства.

• Требования к потере сигнала

• Сцепление меди с диэлектриком

• Тепловая надёжность

• ## Доступность материалов

• Производимость

• Стоимость проекта

Современные технологии ламинатов и обработки меди направлены на достижение баланса между снижением потерь в проводнике и достаточным качеством соединения.

Как производство печатных плат влияет на шероховатость меди

Шероховатость меди определяется не только исходной медной фольгой, но и процессом изготовления печатной платы. При производстве многослойных плат поверхность меди может подвергаться предварительной обработке перед ламинированием для улучшения адгезии к препрегу. Выбранный оксидный или альтернативный оксиду способ обработки может повлиять на конечный интерфейс, с которым взаимодействует сигнал.

Исследование, опубликованное IPC совместно с AT&S и Венским техническим университетом, выделяет качество медной фольги и замену оксидной обработки в качестве ключевых факторов контроля потерь, связанных с медью.

• Утверждённые комбинации ламината и медной фольги

• Обработка внутренних слоёв для обеспечения адгезии

• Параметры ламинирования

• Толщина меди

• Ширина проводника и геометрия

• Равномерность травления

• Итоговое волновое сопротивление и электрические характеристики

Замена диэлектрического материала или медной фольги без учёта этих факторов может изменить характеристики печатной платы, даже если заменитель имеет схожие номинальные значения Dk и Df.

Что должны включать инженеры в техническое задание на печатную плату?

Для проектов высокой скорости или высокой частоты одного лишь термина «низкопотерянный материал» может быть недостаточно. Полезная информация для производства может включать:

• Одобрённый бренд диэлектрического материала и его марка

• Тип или профиль медной фольги

• Требуемая толщина меди

• Значения и допуски контролируемого волнового сопротивления

• Состав многослойной структуры и толщина диэлектрика

• Максимально допустимое затухание при вводе, если применимо

• Рабочая частота или скорость передачи данных

• Требования к тестовым образцам

• Допустимые альтернативные материалы

• Требуемый метод валидации или испытания

Если исходный материал трудно получить, любую предложенную альтернативу следует оценивать на основе полной конструкции материала, а не только по значениям Dk и Df.

Что должны подтвердить отделы закупок и компании EMS?

Команды закупок и поставщики услуг сборки (EMS) не обязаны самостоятельно определять все параметры меди. Перед одобрением замены материала полезно задать следующие вопросы:

• Использует ли альтернатива профиль медной фольги, сопоставимый с исходным?

• Будет ли использоваться та же обработка склеивания внутренних слоёв?

• Может ли замена повлиять на потери при включении или импеданс?

• Поддерживает ли поставщик ламината предложенную конструкцию?

• Можно ли предоставить образцы для контроля импеданса или испытания на потери при необходимости?

Эти вопросы помогают снизить риск одобрения материала исключительно на основе схожего значения Dk или общей классификации «низкопотерянный».

Как можно проверить влияние шероховатости меди?

Подходящий метод проверки зависит от диапазона частот проекта, длины канала и требований к производительности.

• Анализ данных по ламинату и медной фольге

• Контроль импеданса

• Микроскопический осмотр поперечного среза

• Измерения потерь при включении

• Испытания во временной или частотной области

• Сравнение испытательных образцов и имитационных моделей

Для требовательных применений метод измерений и предельные допустимые значения должны быть согласованы до начала производства.

Заключение

Шероховатость медной фольги представляет собой важный аспект изготовления и выбора материалов для печатных плат высокой скорости и высокой частоты. По мере роста частоты эффект поверхностного тока концентрирует электрический ток вблизи поверхности меди. Более шероховатый интерфейс между медью и диэлектриком может повысить сопротивление проводника и потери при включении. Он также может повлиять на фазовую характеристику, скорость распространения и эффективное значение Dk, наблюдаемое при измерениях в цепи.

Медь пониженного профиля может помочь уменьшить эти эффекты, однако электрические характеристики необходимо сбалансировать с адгезией меди к диэлектрику и надёжностью производственного процесса. Наилучший подход заключается в комплексной оценке ламината, медной фольги, многослойной структуры, методов обработки под связывание и требуемых эксплуатационных характеристик как единой конструкции печатной платы.