Arten von Kupferfolien für Hochfrequenzdesigns

Die PCB-Materialindustrie hat erhebliche Zeit darauf verwendet, Materialien zu entwickeln, die den geringstmöglichen Signalverlust bieten. Bei Hochgeschwindigkeits- und Hochfrequenzdesigns werden Verluste die Signalübertragungsdistanz begrenzen und Signale verzerren, und es wird eine Impedanzabweichung erzeugen, die in TDR-Messungen gesehen werden 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.

Während es wahr ist, dass Kupferrauheit zusätzliche Impedanzabweichungen und Verluste erzeugt, wie glatt muss Ihr Kupferfolie wirklich sein? Gibt es einige einfache Methoden, die Sie anwenden können, um Verluste zu überwinden, ohne für jedes Design ultraglattes Kupfer auszuwählen? Wir werden uns diese Punkte in diesem Artikel ansehen, sowie worauf Sie achten können, wenn Sie beginnen, nach PCB-Stackup-Materialien zu suchen.

Arten von PCB-Kupferfolien

Normalerweise sprechen wir bei Kupfer auf PCB-Materialien nicht über den spezifischen Typ des Kupfers, sondern nur über dessen Rauheit. Verschiedene Kupferabscheidungsmethoden erzeugen Filme mit unterschiedlichen Rauheitswerten, die in einem Rasterelektronenmikroskop (SEM)-Bild deutlich unterschieden werden können. Wenn Sie bei hohen Frequenzen (normalerweise 5 GHz WiFi oder darüber) oder bei hohen Geschwindigkeiten arbeiten werden, dann achten Sie auf den in Ihrem Materialdatenblatt angegebenen Kupfertyp.

Außerdem sollten Sie die Bedeutung der Dk-Werte in einem Datenblatt verstehen. Schauen Sie sich diese Podcast-Diskussion mit John Coonrod von Rogers an, um mehr über Dk-Spezifikationen zu erfahren. Mit diesem Wissen im Hinterkopf, lassen Sie uns einige der verschiedenen Arten von PCB-Kupferfolien betrachten.

Elektrolytisch abgeschieden

Bei diesem Prozess wird ein Trommel durch eine elektrolytische Lösung gedreht, und eine Elektroabscheidungsreaktion wird verwendet, um die Kupferfolie auf der Trommel „wachsen“ zu lassen. Während die Trommel rotiert, wird der resultierende Kupferfilm langsam auf eine Rolle gewickelt, was ein kontinuierliches Kupferblatt ergibt, das später auf ein Laminat aufgerollt werden kann. Die Trommelseite des Kupfers wird im Wesentlichen der Rauheit der Trommel entsprechen, während die freiliegende Seite viel rauer sein wird.

Um in einem standardmäßigen PCB-Herstellungsprozess verwendet werden zu können, muss die raue Seite des Kupfers zunächst mit einem Glas-Harz-Dielektrikum verbunden werden. Das verbleibende freiliegende Kupfer (Trommelseite) muss absichtlich chemisch aufgeraut werden (z.B. mit Plasmaätzen), bevor es im standardmäßigen Kupferkaschierungsprozess verwendet werden kann. Dies stellt sicher, dass es mit der nächsten Schicht im PCB-Stackup verbunden werden kann.

Oberflächenbehandeltes galvanisiertes Kupfer

Ich kenne keinen Begriff, der alle verschiedenen Arten von oberflächenbehandelten Kupferfolien umfasst, daher die obige Überschrift. Diese Kupfermaterialien sind am besten als rückseitig behandelte Folien bekannt, obwohl zwei weitere Variationen verfügbar sind (siehe unten).

Reverse behandelte Folien verwenden eine Oberflächenbehandlung, die auf die glatte Seite (Trommelseite) eines elektrolytisch abgeschiedenen Kupferblechs aufgetragen wird. Eine Behandlungsschicht ist nur eine dünne Beschichtung, die das Kupfer absichtlich aufraut, damit es eine größere Haftung an einem dielektrischen Material hat. Diese Behandlungen wirken auch als Oxidationsbarriere, die Korrosion verhindert. Wenn dieses Kupfer verwendet wird, um Laminatplatten zu erstellen, wird die behandelte Seite mit dem Dielektrikum verbunden, und die übrig gebliebene raue Seite bleibt freiliegend. Die freiliegende Seite benötigt vor dem Ätzen keine zusätzliche Aufrauung; sie wird bereits genügend Festigkeit haben, um sich mit der nächsten Schicht im PCB-Stackup zu verbinden.

Drei Variationen von reverse behandeltem Kupferfolie umfassen:

• Hochtemperatur-Dehnung (HTE) Kupferfolie: Dies ist eine elektrolytisch abgeschiedene Kupferfolie, die den IPC-4562 Grade 3 Spezifikationen entspricht. Die freiliegende Seite wird ebenfalls mit einer Oxidationsbarriere behandelt, um Korrosion während der Lagerung zu verhindern.
• Doppelt behandelte Folie: Bei dieser Kupferfolie wird die Behandlung auf beide Seiten des Films aufgetragen. Dieses Material wird manchmal als trommelseitig behandelte Folie bezeichnet.
• Resistives Kupfer: Dies wird normalerweise nicht als oberflächenbehandeltes Kupfer klassifiziert. Diese Kupferfolie verwendet eine metallische Beschichtung auf der matten Seite des Kupfers, die dann auf das gewünschte Niveau aufgeraut wird.

Die Anwendung der Oberflächenbehandlung bei diesen Kupfermaterialien ist unkompliziert: Die Folie wird durch zusätzliche Elektrolytbäder gerollt, die eine sekundäre Kupferbeschichtung auftragen, gefolgt von einer Barriereschicht und schließlich einer Antioxidationsschicht.

Mit diesen Prozessen erhält man ein Material, das im Standard-Platinenherstellungsprozess leicht verwendet werden kann, ohne dass zusätzliche Verarbeitungsschritte erforderlich sind.

Walzgarenes Kupfer

Walzgarene Kupferfolien werden durch ein Paar Walzen geführt, die das Kupferblech kalt auf die gewünschte Dicke walzen. Die Rauheit des resultierenden Folienblechs variiert je nach den Walzparametern (Geschwindigkeit, Druck usw.). Das resultierende Blatt kann sehr glatt sein, und Streifen sind auf der Oberfläche des walzgarenen Kupferblechs sichtbar. Die Bilder unten zeigen einen Vergleich zwischen einer galvanisch abgeschiedenen Kupferfolie und einer walzgarenen Folie.

Niedrigprofil-Kupfer

Dies ist nicht unbedingt eine Art von Kupferfolie, die Sie mit einem alternativen Verfahren herstellen würden. Niedrigprofil-Kupfer ist elektrodeponiertes Kupfer, das mit einem Mikro-Rauigkeitsprozess behandelt und modifiziert wird, um eine sehr geringe durchschnittliche Rauheit bei ausreichender Rauigkeit für die Haftung am Substrat zu bieten. Die Verfahren zur Herstellung dieser Kupferfolien sind normalerweise firmeneigen. Diese Folien werden oft als ultra-niedrigprofilig (ULP), sehr niedrigprofilig (VLP) und einfach niedrigprofilig (LP, ungefähr 1 Mikron durchschnittliche Rauheit) kategorisiert.

Kupferfolienarten und Kupferrauheit in Datenblättern

Am Ende des Tages versuchen Sie, einen Rauheitswert zu erhalten, insbesondere für ein RF-PCB-Layout. Die Materialsets, die die besten Optionen für Hochfrequenzdesigns darstellen, sind normalerweise ultra-niedrigprofilige oder gewalzt-annealierte Kupferfolien (0,25 bis 0,5 Mikron), gefolgt von niedrigprofiligen und rückseitig behandelten Folien (etwa 1 bis 1,5 Mikron). Elektrodeponiertes Kupfer könnte eine sehr breite Palette von Oberflächenrauheiten aufweisen (von 1 bis 4 Mikron).

Zwei Beispiele für elektrolytisch abgeschiedene Kupferfolien werden in den untenstehenden SEM-Bildern gezeigt (Bilder mit freundlicher Genehmigung von Oak-Mitsui Technologies). Aus diesem Bild könnte man versuchen, einen Rauheitswert aus dem Bild basierend auf dem Einfallswinkel des Elektronenstrahls zu extrahieren. Die typische Methode zur Messung der Rauheit ist die Verwendung eines mechanischen Profilometers, und es gibt eine interferometrische Methode, die für sehr glatte Filme verwendet wird.

Jedoch kann man nicht einfach irgendeine Art von Kupfer neben spezifischen Laminattypen und Materialwerten wählen, man muss mit dem arbeiten, was auf dem Markt verfügbar ist. In Hochfrequenzanwendungen, wo die Rauheit von Kupfer wichtig ist, haben Materialanbieter jedoch einen anständigen Job gemacht, Informationen über den Typ und die Rauheit der von ihnen in ihren Materialien verwendeten PCB-Kupferfolien bereitzustellen. Schauen Sie sich das Beispiel unten aus einem Datenblatt von Rogers 3003/3035 an. Diese Tabelle ist sehr nützlich, weil sie alle verfügbaren Kupferfolien für dieses hochfrequente Laminat-Set an einem einzigen Ort zusammenfasst.

Sobald Sie einen Laminattyp für dieses Materialsysten ausgewählt haben, können Sie den Anbieter kontaktieren, um Daten zur Rauheit zu erhalten. Sie sollten in der Lage sein, Ihnen eine Tabelle zu senden, die den Rauheitsbereich für das Produkt auflistet, an dem Sie interessiert sind, damit Sie es vollständig für Ihr Design qualifizieren können.

Ein weiteres Beispiel findet sich für AGC Taconic Materialien. Im folgenden Auszug listen sie sowohl den Typ der Kupferfolie als auch den Rauheitswert der Folie auf, sowohl für behandelte als auch unbehandelte Seiten. In ihrem Produktauswahlleitfaden sind noch viele weitere Daten verfügbar, die Sie verwenden können, um das geeignete Material für Ihr Design auszuwählen.

Aus diesen Werten (oder nach einer E-Mail an den Laminathersteller) können Sie die Rauheitsparameter erhalten, die Sie benötigen würden, um die Rauheit der Kupferfolie und ihre Auswirkungen auf die Impedanz zu modellieren. Von dort aus können Sie die Verluste ermitteln, entweder ausgehend von den ABCD-Parametern für eine Übertragungsleitung mit Ihrem Impedanzwert oder indem Sie die Ausbreitungskonstante direkt berechnen. Dann können Sie die Verluste ermitteln und, wenn Sie möchten, den erwarteten S21-Wert für Ihre Verbindung berechnen. Jetzt wissen Sie alles!

Ein Punkt, der meiner Meinung nach nie diskutiert wird, ist der folgende: Müssen Sie wirklich die Rauheit der Kupferfolie in Ihrem speziellen Verbindungsdesign berücksichtigen? Wann können Sie die Rauheit ignorieren und dennoch sicher sein, dass Sie genaue Ergebnisse erhalten? Wir werden diesen Aspekt der Bewertung der Kupferrauheit und der Bestimmung, ob ein gegebener Wert angemessen ist, in einem kommenden Artikel diskutieren.

Wenn Sie genaue Impedanzberechnungen erhalten möchten, die die Rauheitswerte für Ihre 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 Ihre PCB fertiggestellt haben und bereit sind, Ihre Entwürfe mit Mitarbeitern oder Ihrem Hersteller zu teilen, können Sie Ihre fertigen Designs über die Plattform Altium 365™ teilen. Alles, was Sie benötigen, um fortschrittliche Elektronik zu entwerfen und zu produzieren, finden Sie in einem Softwarepaket.

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