Wie viel Oberflächenrauheit bei Kupfer auf einer Leiterplatte ist zu viel?

Wenn wir über Kupferrauheit sprechen, bringen wir es immer so zur Sprache, als wäre es durchweg eine schlechte Sache. Tatsächlich werden einige Schaltungen immer einwandfrei funktionieren, auch wenn das Kupfer rau ist. Solange Ihre Leiterbahnen in jedem anderen Bereich nach Spezifikation gefertigt sind, spielt die Rauheit der Bahnen möglicherweise keine Rolle, solange Ihre Betriebsfrequenz oder Bandbreite niedrig genug sind. Was genau bedeutet „niedrig genug“ und wann ist der Effekt der Rauheit so gering, dass wir ihn ignorieren können?

In einem kürzlich erschienenen Artikel über Kupferfolien habe ich einige Hintergrundinformationen zu den verschiedenen Arten von Kupferfolien und zu einigen Rauheitswerten, die Sie von diesen Folien erwarten können, bereitgestellt. Wenn Sie beginnen, Materialien für Ihr Hochfrequenzdesign zu suchen, lohnt es sich zu bestimmen, ob der Rauheitsfaktor die Impedanz und Verluste in einem Maße beeinflussen wird, das übermäßig ist. In diesem Artikel werde ich drei Strategien zeigen, die Sie anwenden können, um zu bestimmen, ob Rauheit in Ihrem Design minimiert werden sollte. Dies beinhaltet das Betrachten von Daten oder das Durchführen einiger einfacher Berechnungen, um die Rauheit zu bestimmen.

Wann sollten Sie sich um die Rauheit von Kupferfolien sorgen?

Das ist eine wichtige Frage, und sie kann aus mindestens zwei Perspektiven betrachtet werden. Sobald man einem Designer sagt: „Hey, du musst die Kupferrauheit in deine Impedanzberechnung einbeziehen“, möchten sie wahrscheinlich ihren Impedanzrechner wegwerfen und aufgeben, genaue Impedanzvorhersagen zu erhalten.

Die Realität ist, dass Kupferrauheit unter bestimmten Frequenzen keine bemerkbaren Effekte erzeugt. Wenn Sie mit standardmäßigen digitalen Bussen niedriger Geschwindigkeit (I2C, SPI, UART oder einfach beim Umschalten Ihrer GPIOs) arbeiten, dann müssen Sie sich aus zwei Gründen keine Sorgen um Kupferrauheit machen:

1. Diese Busse haben keine Impedanzspezifikation und benötigen daher keine kontrollierte Impedanzführung
2. Der größte Teil der Bandbreite dieser Signale liegt weit unter den Frequenzen, bei denen Kupferrauheit zu einem wichtigen Faktor wird, der Ihr Design beeinflusst.

Jedoch, wenn Sie mit der neuesten Iteration gängiger digitaler Protokolle, 5 GHz WiFi, RF-Printschaltungen mit niedrigem SNR, Radarsystemen oder ultraschnellen digitalen Protokollen (56G+ SerDes) arbeiten, dann wird Kupferrauheit definitiv eine Rolle spielen und sollte bei der Auswahl der Materialien untersucht werden.

Ohne zu verallgemeinern, gibt es zwei Wege, das Problem anzugehen und zu bestimmen, ob Kupferrauheit in Ihrem Design eine Rolle spielen wird:

1. Berechnen Sie grobe und glatte Impedanzspektren für Ihre vorgeschlagenen Verbindungen und vergleichen Sie
2. Betrachten Sie Einfügungsverlustmessungen für verschiedene Kupferrauheitswerte
3. Verwenden Sie die Ergebnisse aus #1, um eine Ausbreitungskonstante zu erhalten und Verluste als Funktion der Rauheitsparameter zu vergleichen

Option #1 ist das Erste, was Sie tun würden, um eine S11-Vorhersage für Ihre Verbindung zu erhalten. Optionen #2 und #3 sind im Grunde genommen dasselbe, wenn man darüber nachdenkt… Sie vergleichen einfach S21-Messungen und Berechnungen. Die Idee hier ist zu sehen, wann verschiedene Arten von PCB-Kupferfolien im Vergleich zu nahezu perfektem Kupfer übermäßigen Verlust erzeugen und wie groß dieser Verlust ist.

Option #1

Die Art von Impedanzrechner, die Sie in Ihrer PCB-Designsoftware finden, ist ausgezeichnet, um eine einigermaßen genaue Schätzung der Auswirkungen von rauer Impedanz zu erhalten, solange Sie Zugang zu den Rauheitsparametern für Ihre Materialsets haben.

• Lesen Sie mehr über die Verwendung von Rauheitsparametern in diesem Artikel.

Wenn Sie an die Rauheitsdaten gelangen können, entweder durch eine direkte Messung des Oberflächenprofils oder durch Mikroskopbilder wie die oben gezeigten, können Sie diese verwenden, um die Impedanz mit und ohne Rauheit zu berechnen.

Nehmen Sie als Beispiel die unten gezeigten Ergebnisse der symmetrischen Streifenleitung. Die rauen und glatten Ergebnisse wurden mit 4 mil dielektrischen Schichten simuliert, unverändertes Dk = 4.17 ohne dielektrische Dispersion und raue Impedanzergebnisse mit zwei Modellen (Hammerstad und Cannonball-Huray). Unsere Streifenleiterbreite ergibt sich zu W = 3,008 mils, was ein bisschen klein ist.

Wenn wir die Rauheit ignorieren, wird die Impedanz um etwa 5 % überschätzt! Wir sehen auch, dass die Abweichung im Realteil der Impedanz, wo alle Verluste zu entstehen beginnen, einfach weiter wächst… Das liegt daran, dass wir völlig ignoriert haben, wie Rauheit Dk modifiziert, was dazu führt, dass es größer als der nominale (entwickelte) Wert erscheint.

Dies ist ein Fall, in dem klar ist, dass die Verwendung eines Laminats mit niedrigerem Dk wichtig ist. Es wird erforderlich sein, dass Sie eine breitere Spur verwenden, damit Sie innerhalb der Standardfertigungskapazitäten bleiben können. Der Nebeneffekt ist, dass Sie wahrscheinlich in dieser Situation geringere Verluste sehen werden.

Optionen #2 und #3

Option #2 ist ziemlich einfach, solange Sie einige S21-Daten für Ihr Materialset haben. Indem Sie sich die Daten zum dielektrischen Verlust ansehen (unter der Annahme, dass dies der wichtigste Faktor bei einem elektrisch langen Interconnect ist), können Sie ungefähr beurteilen, bei welchen Frequenzen die Verluste durch Kupferrauheit gerade relevant werden. Als Beispiel zeigt das Bild unten einige Daten von Rogers für eine ½ oz./sq. ft. Kupferfolie auf einem 4 mil flüssigkristallinen Polymer (LCP) Laminat (hier finden Sie die Originaldaten).

Aus dem obigen Diagramm geht hervor, dass die Unterschiede zwischen diesen Kurven bei Frequenzen unter etwa 2 GHz vernachlässigbar sind, aber wir können sehen, dass die Einfügungsverlustkurven für verschiedene Kupferrauheiten bei hohen Frequenzen sehr unterschiedlich sind. Wenn Sie bei hohen Frequenzen arbeiten würden und der Verlust ein wichtiger Faktor wäre, könnten Sie dies gegen die Kosten für Ihr spezielles Laminat abwägen. Alternativ, wenn Ihnen nur eine Klasse von rauem Kupfer von Ihrem Laminatlieferanten zur Verfügung stand, könnten Sie nach einem alternativen Laminat mit geringerem dielektrischen Verlust suchen.

Solange Sie Einfügedämpfungsdaten von anderen Materialanbietern erhalten können, könnten Sie ähnliche Vergleiche anstellen. Wenn diese Daten jedoch nicht direkt verfügbar sind, müssten Sie ihre Rauheitswerte und Verlustfaktorwerte für verschiedene Materialoptionen verwenden, um die Einfügedämpfung bei Ihrer Betriebsfrequenz zu schätzen. Sie können dies tatsächlich direkt mit dem folgenden Prozess berechnen:

1. Berechnen Sie die verlustfreie Impedanz für Ihre Verbindung unter Verwendung der glatten Dielektrizitätskonstante (siehe hier für die Formel der Dielektrizitätskonstante)
2. Berechnen Sie die verlustbehaftete Impedanz mit Ihrem Rauheitsmodell aus der verlustfreien Impedanz
3. Berechnen Sie die Ausbreitungskonstante
4. Verwenden Sie das Ergebnis von #3, um die Einfügedämpfung mit der Standardformel ABCD zu S-Parameter

zu berechnen. Um die Dinge einfach zu machen und die Notwendigkeit zu eliminieren, eine verlustfreie zu verlustbehaftete Transformation für die Impedanz durchzuführen, können Sie eine einfache Näherung verwenden, die bei niedrigeren Frequenzen gültig ist, um abzuschätzen, wann der Leiterverlust übermäßig wird. Der Gesamtverlust (S21 in diesem Fall) und die zugehörigen Gleichungen, die Sie benötigen, sind:

In dieser Näherung wird die verlustfreie charakteristische Impedanz Z0 verwendet, um die Leiterverluste mit und ohne Rauheit zu schätzen. Beachten Sie, dass laut dieser Näherung behauptet wird, dass die dielektrischen Verluste sich nicht mit den Rauheitsparametern ändern. Das ist eigentlich nicht wahr, denn wie man aus dem oben verlinkten Artikel sehen kann, kann die Dielektrizitätskonstante (einschließlich des imaginären Teils der Dielektrizitätskonstante) zunehmen, wenn die Rauheit zunimmt.

Für unsere Zwecke konzentrieren wir uns einfach auf die Leiterverluste von blankem Kupfer. Wenn Sie den oben gezeigten Wert des Skin-Widerstands (Rs) und den Gleichstromwiderstand verwenden, benötigen Sie nur einen Rauheitskorrekturfaktorwert K, um den Leiterverlust zu erhalten. Für eine glatte Leitung haben wir immer K = 1, während Sie für eine raue Leitung K unter Verwendung eines Standard-Rauheitsmodells berechnen müssen. Unten

habe ich einige Ergebnisse von zwei Modellen zum Vergleich bereitgestellt (Hammerstad und Cannonball Huray, 4,12 mil Dielektrikumdicke, unmodifiziertes Dk = 4,17/Df = 0,014 für glattes Kupfer). Die dielektrischen Verluste werden mit der auf die Dielektrizitätskonstante angewendeten Rauheitskorrektur berechnet, was die dielektrischen Verluste erhöhen wird.

Der Verlustanstieg bei hohen Frequenzen ist auffällig, obwohl der dielektrische Verlust bei 10 GHz den Leiterverlust um fast das Doppelte übersteigt. Denken Sie daran, dass Ihr Gleichstromwiderstand und der Skin-Widerstand oben pro Längeneinheit angegeben sind. Daher wird die Einheit, die Sie verwenden, um diese Werte zu erhalten, dieselbe Einheit im dB/Längenwert aus der Berechnung sein.

Abschließende Gedanken

Die Realität ist oft viel komplexer, als wir in theoretischen Modellen annehmen möchten, und letztendlich wird ein relativ komplexes geometrisches Modell wie Cannonball-Huray (oder jedes andere Rauheitsmodell) von der Realität abweichen. Wenn Sie mehr Modellierung des Verhaltens von Verbindungen bei hohen Frequenzen durchführen müssen und sehr genaue Werte des Rauheitskorrekturfaktors oder Rauheitsmessungen benötigen, dann sollten Sie diese Messungen erhalten und in Ihren Verbindungsdesigns verwenden.

Ein wichtiger Punkt hier ist, dass Sie möglicherweise nicht auf jeder Schicht perfekt glattes Kupfer benötigen. Zum Beispiel könnten Sie einen Hybrid-Stackup entwerfen, der High-Speed-/Hochfrequenz-Routing auf einer Schicht mit glattem Kupfer unterstützt. Alle anderen Schichten können raues Kupfer haben, aber wenn diese Schichten nur Signale niedrigerer Geschwindigkeit oder niedrigere Frequenzen unterstützen, dann wird die Kupferrauheit auf diesen Schichten keine Rolle spielen. Versuchen Sie nicht, das Board zu überentwickeln, wenn Sie es nicht benötigen.

Wenn Sie genaue Berechnungen der charakteristischen Impedanz erhalten möchten, die die Rauheitswerte für Ihr PCB-Kupferfolie einschließen, verwenden Sie den 2D-Feldlöser im Layer Stack Manager in Altium Designer®. Das Impedanzprofil, das Sie für Ihre Verbindungen bestimmen, kann leicht auf Ihre Designregeln angewendet werden und wird automatisch während des Routings durchgesetzt. Sobald Sie Ihr 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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