Wie man Kupferfolie für Hochfrequenz-PCB-Design auswählt

Die PCB-Materialindustrie hat erhebliche Zeit darauf verwendet, Materialien zu entwickeln, die den geringstmöglichen Signalverlust für Produkte mit RF-Anwendungen bieten. Bei Hochgeschwindigkeits- und Hochfrequenzdesigns werden Verluste die Signalübertragungsdistanz begrenzen und Signale verzerren, und es wird eine Impedanzabweichung erzeugt, die in TDR-Messungen sichtbar sein kann. Wenn wir irgendeine gedruckte Schaltkarte entwerfen und Schaltungen entwickeln, die bei höheren Frequenzen arbeiten, mag es verlockend sein, für alle Designs, die Sie erstellen, das möglichst glatteste Kupfer zu wählen.

Obwohl es wahr ist, dass Kupferrauheit zusätzliche Impedanzabweichungen und Verluste erzeugt, wie glatt muss Ihr Kupferfolie wirklich sein? Gibt es andere einfache Methoden, mit denen Sie einige Verluste überwinden und dennoch die benötigte Verdrahtung auf Ihrer PCB abschließen können? In diesem Artikel werden wir das Gleichgewicht zwischen Kupferfolienverlusten und anderen Arten von Verlusten in einer PCB betrachten, sowie einige Strategien, die üblicherweise verwendet werden, um die Rauheit zu überwinden.

Arten von Kupferfolien für PCB-Stackups

Bevor Sie sich anschauen, welche Kupferfolie Sie für Ihre Platine auswählen sollten, ist es wichtig, etwas über die Kupferfolie zu wissen, die tatsächlich in einem PCB-Stackup enthalten sein kann. Kupferfolien sind nicht etwas, das Sie immer auswählen und mit jedem Laminatmaterial kombinieren können. Einige Laminathersteller bieten mehrere Optionen an, die verschiedene Arten von Kupferfolien mit ihren Materialsets kombinieren, aber das ist nicht bei jedem Laminathersteller oder Material der Fall. Es sei denn, Sie können Materialien separat beschaffen und durch einen Laminierungsprozess führen, müssen Sie mit den Materialsets arbeiten, die Sie von einem Laminathersteller oder -distributor erhalten können.

Mit diesem Hintergrund sind hier die verschiedenen Arten von Kupferfolien, die Sie in PCB-Materialien finden:

Die verschiedenen Rauheitsbereiche können der entscheidende Faktor dafür sein, welcher Kupfertyp in Ihrem PCB-Lagenstapel akzeptiert wird. Daher ist es wichtig, die erforderlichen Platineneigenschaften zu prüfen und sie mit den verfügbaren Kupfer- und Dielektrikumsoptionen zu vergleichen. Eine Sache, die Sie feststellen werden, ist, dass Laminate, die für Hochfrequenz-PCBs vermarktet werden, eine Option mit niedrigerem Kupferprofil haben, sodass Sie die Vorteile von verlustarmen Dielektrika und glattem Kupfer im gleichen Paket erhalten können. Allerdings werden einige Geräte, die bei moderaten (niedrigen GHz) Frequenzen arbeiten, auch mit Standard-Epoxid-Glasfaser-Materialien der Klasse FR4 und der Art des Kupfers keine spürbare Leistungsdifferenz aufweisen. Stellen Sie sicher, dass Sie die Arten von Kupfer verstehen, die in den Laminat-Datenblättern angegeben sind, wenn Sie ein Leistungsziel erreichen möchten.

• Erfahren Sie mehr über die verschiedenen Arten von Kupfer in PCB-Stapeln

Hochfrequenzströme und Kupferfolien

Bei höheren Frequenzen wird der Skin-Effekt die Impedanz einer Übertragungsleitung verändern, und das Ausmaß einer Impedanzänderung aufgrund des Skin-Effekts hängt von der Rauheit des Kupfers ab. Die Wechselwirkung von hohen Frequenzen mit Kupferleiterbahnen erzeugt Verluste durch drei primäre Mechanismen:

• Die Impedanz bei mittleren Frequenzen wird größer sein und die resistiven Verluste werden größer sein
• Raueres Kupfer begrenzt die Feldlinien auf ein kleineres Volumen, was den elektrischen Feldfluss erhöht und damit die dielektrischen Verluste
• Die erhöhte Impedanz erzeugt eine leichte Impedanzdiskontinuität, und wenn sie nicht angepasst wird, erhöht sie die Reflexionen (S11)

Wir betrachten den Skin-Effekt oft nicht im Vordergrund, aber es ist wichtig zu beachten, dass dies Impedanzabweichungen und Verluste verursachen wird, wenn er nicht frühzeitig berücksichtigt wird. Typische Frequenzbereiche, in denen Sie beginnen, Rauheit zu bemerken, liegen über 10 GHz.

• Erfahren Sie mehr über den Skin-Effekt in Übertragungsleitungen

Verlustbudget

Ich würde sagen, der erste wichtige Punkt bei der Auswahl der Kupferart, die Sie in Ihrer Hochfrequenz-PCB verwenden, besteht darin, das Verlustbudget für Ihre höchste Frequenz oder die Verbindungen mit der höchsten Bandbreite zu betrachten. Zum Beispiel, bei einer RF-PCB, müssen Komponenten, die ein RF-Signal senden und empfangen, zwei Spezifikationen haben: Sendeleistung und Empfängerempfindlichkeit (oder ähnliche Bezeichnungen), beide beschrieben in mW oder in dBm. Wenn Sie eine ungefähre Größe der Platine oder die Länge der Verbindung kennen, können Sie eine ziemlich gute Schätzung des Verlustbudgets entlang einer Ihrer RF-Leitungen erhalten:

Verlustbudget (dB) = [Sendeleistung (dBm)] - [Empfängerempfindlichkeit (dBm)]

Dies wäre der Gesamtverlust, den Sie akzeptieren können, obwohl es gut ist, einige dB Spielraum über dem Wert der Empfängerempfindlichkeit zu lassen. Teilen Sie dies durch die Länge der Verbindung, und Sie wissen nun den Verlust pro Länge, den Sie in Ihren Leitungen akzeptieren können.

• Sehen Sie, wie Sie Rauigkeitsverluste in Ihrem Design abschätzen können

Für hohe Geschwindigkeiten ist es komplexer, da die Signale keine Leistung und Verluste bei einer spezifischen Frequenz haben. Sie können einen hohen Verlust bei hoher Frequenz haben, aber solange es einen geringen Verlust im Bandbreitenbereich des Empfängers gibt, kann das Signal an Ihrem Empfänger wiederhergestellt werden. Daher ist es, genau wie im Fall der Eingangsimpedanz, eine gute Idee, Kupfer basierend auf der Berechnung von Verlusten an der Bandbreitengrenze für Ihre digitalen Signale auszuwählen. Dies wäre einer der folgenden Punkte:

• Die Nyquist-Frequenz, die der Datenrate entspricht
• Eine Frequenz, basierend auf einem -10 dB-Wert im S11-Spektrum für Ihre Empfangskomponente
• Ein Wert, der proportional zur inversen Anstiegszeit ist (wie die Knie-Frequenz, oder 0,35/(Anstiegszeit), oder 0,5/(Anstiegszeit), was eine konservativere Schätzung basierend auf dem Gibbs-Phänomen ist)

Für hochgeschwindigkeitsdigitale Anwendungen konzentrieren wir uns auf den 1. Punkt, während wir den 2. Punkt im RF-Design betrachten. Der 3. Punkt sollte nicht als Designziel von professionellen Designern verwendet werden.

Sobald Sie die Frequenz kennen, die wichtig ist (entweder der Träger für HF-Platinen oder die Bandbreitengrenze für digitale Platinen), können Sie mit der Schätzung von Verlusten und der Auswahl von Kupfer fortfahren.

Da dieses Problem mit der Kupferrauheit und den Verlusten von der benötigten Kanalbandbreite abhängt, die erforderlich ist, um Logikzustände aus einem Bitstrom zu lesen, ist es viel besser, zuerst Ihren Kanal unter Verwendung von S-Parameter-Messungen für verschiedene Werte der Kupferrauheit und dielektrischen Verlust zu simulieren. Dies gibt Ihnen einen Zielrauwert, den Sie für Ihre Kupferrauheit akzeptieren können, und Sie können bestimmen, ob zu viel Rauheit in Ihrem Kanal vorhanden ist.

Dies bedeutet, dass Sie folgendes tun müssen:

1. Sehen Sie sich Ihre Signalisierungsspezifikation an und bestimmen Sie, welche SI-Metriken Sie an Ihrer Bandbreitengrenze erreichen müssen
2. Betrachten Sie die Datenrate und bestimmen Sie die minimale Bandbreite, die Ihr Routing-Kanal benötigt
3. Durchlaufen Sie einige realistische Rauheitswerte, bis Sie Ihre SI-Ziele erreichen (normalerweise S21-Verluste) bis zur Bandbreitengrenze, die Sie in #2 gefunden haben

Plattformen wie Simbeor oder Ansys SIwave können verwendet werden, um diese S-Parameter-Messungen zu sammeln, und ich habe in der Vergangenheit mehrere Beispiele dieser Messungen gezeigt.

Als Beispiel betrachten Sie das unten gezeigte Simulationsergebnis für einen Beispiel-Routing-Kanal auf Rogers 3003; dies wurde in Simbeor berechnet. Von hier aus können wir deutlich erkennen, was die -10 dB Kanalbandbreitenbegrenzung im S11-Spektrum ist, und wir können den entsprechenden Verlust im S21-Spektrum sehen. Wenn wir die Rauheit im Kupfer anpassen und die Leiterbahnbreite entsprechend anpassen, können wir den Kanal weiter optimieren, um sicherzustellen, dass eine akzeptable Impedanzanpassung vorliegt, während der Verlust auf ein akzeptables Limit reduziert wird.

Ein Prozess zur Auswahl von Laminaten und Kupfer

Wenn Kupfer und dielektrische Materialien aufeinander abgestimmt werden, gibt es einen einfachen Prozess, der befolgt werden kann, um sicherzustellen, dass Sie Ihre Betriebsziele erreichen.

1. Planen Sie, wo Sie die Rauheitsempfindlichen Verbindungen verlegen möchten (Oberflächenschicht vs. Innenschicht), dies erfordert ein wenig Bodenplanung mit den Hauptkomponenten
2. Bestimmen Sie den Verlustwinkel, den Sie bei Ihrer Betriebsfrequenz akzeptieren können
3. Nachdem Sie das Materialset gefunden haben, das #2 erfüllt, schauen Sie sich Ihre verfügbaren Kupferoptionen an und wählen Sie die richtige Kupferrauheit und Oberflächenbeschichtung für Ihr Design
4. Stellen Sie sicher, dass die in #3 ausgewählte Kupferoption im benötigten Gewicht verfügbar ist; schwereres Kupfer wird geringere Skin-Effekt-Verluste haben

Ich habe Schritt #2 zuerst aufgeführt, weil bei den Betriebsfrequenzen, bei denen Rauheit wichtig ist, das Dielektrikum immer noch die Verluste dominieren wird und es andere Aspekte des PCB-Stackups bestimmen wird (Schichtanzahl/Dicke usw.), die zuerst berücksichtigt werden sollten. Der Schritt der Auswahl von Beschichtung und Kupfer sollte als nächstes basierend auf den verfügbaren Laminatmaterialien erfolgen.

Um sicherzustellen, dass Sie Ihre Kupferauswahl und das Stackup-Design für Ihren Hersteller vollständig spezifizieren, verwenden Sie die Design-Tools in Altium Designer^®. Sie können Impedanzprofile und Routing-Anforderungen innerhalb des Layer-Stack-Managers bestimmen sowie spezifische Materialien für die Verwendung im PCB-Stackup während der Fertigung benennen. Sobald Sie Ihre PCB fertiggestellt haben und bereit sind, Ihre Entwürfe mit Mitarbeitern oder Ihrem Hersteller zu teilen, können Sie Ihre fertigen Designs über die Altium 365^™ Plattform teilen. Alles, was Sie benötigen, um fortschrittliche Elektronik zu entwerfen und zu produzieren, finden Sie in einem Softwarepaket.

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