¿Cómo afecta el peso del cobre a la integridad de la señal en las PCB UHDI?

He hablado sobre las razones por las que los anchos de línea más pequeños y las separaciones más reducidas requieren un menor peso de cobre en videos y artículos. La razón principal es que los fabricantes no pueden grabar el cobre hasta anchos y separaciones de pista muy pequeños, como valores de 2 mil/50 micras, cuando la lámina base de cobre adquiere dimensiones similares al ancho de la pista de cobre. Por este motivo, los anchos de línea y separaciones más pequeños utilizados en PCB HDI tienden a presentar pistas con una relación de aspecto más cercana a la cuadrada que a un trapezoide ancho. Este es especialmente el caso en las capas stripline.

Con películas de cobre más delgadas correlacionadas con anchos de línea más reducidos, ¿qué ocurre con la impedancia de la línea? Y, en particular, ¿cómo variará la impedancia de la línea ante una determinada variación en el espesor del cobre? Estas son preguntas importantes porque influirán en la cantidad de margen que puede aceptar en una simulación de una línea de transmisión, antena, circuito RF impreso o cualquier otro circuito que requiera que el cobre mantenga el control de impedancia. Examinaré estos puntos en este artículo, además de mostrar algunos datos sobre variaciones en la impedancia de línea dadas variaciones reales en el espesor de la película de cobre.

Cómo se ve el cobre en UHDI

Como se mencionó anteriormente, las pistas de cobre en un diseño UHDI tienen una sección transversal más cercana a un cuadrado que a la típica sección transversal rectangular o trapezoidal. El grabado sustractivo es responsable de crear la sección transversal trapezoidal; esto se debe a que el agente de grabado continúa atacando la superficie expuesta de la lámina de cobre. A medida que se reduce el peso de cobre, el tiempo de grabado es menor, y esto reduce el factor de grabado en una pista, haciendo que se vea más cuadrada.

La línea divisoria típica entre HDI y UHDI es el punto en el que necesitamos usar procesos aditivos; SAP o mSAP se necesita para fabricar anchos de línea inferiores a 50 micras utilizados en diseños UHDI. Con un proceso aditivo, no hay grabado y el cobre depositado tendrá una forma mucho más cuadrada que el cobre grabado. La imagen a continuación muestra un ejemplo de pistas depositadas de forma aditiva sobre película de buildup de Ajinomoto (ABF) como striplines. Las pistas se depositan sobre ABF y luego se cubren con una capa de unión para formar las striplines.

La cantidad de variación en estas pistas es bastante pequeña, solo unas pocas micras en las pistas mostradas en la imagen de la izquierda. Compare esto con las dimensiones de la sección transversal, que son aproximadamente 40 micras en horizontal y vertical. Compare esta variación con una pista grabada típica, donde solo la rugosidad puede representar unas pocas micras, y la uniformidad del borde y la planaridad de la lámina pueden producir una variación similar.

En lo que respecta a la integridad de señal, esto plantea dos preguntas importantes:

1. ¿Cómo afectan las variaciones en el espesor del cobre a la impedancia?
2. ¿Cómo se comparan estos impactos en valores estándar de peso de cobre frente a espesores de película en UHDI?

Estudio del impacto en la impedancia con pesos de cobre grandes y pequeños

Primero, consideremos qué ocurre en las construcciones típicas de PCB estándar. El peso base de cobre suele ser de 0.5 oz por pie cuadrado de lámina base, y las capas externas se metalizan hasta aproximadamente 1.0 oz por pie cuadrado de espesor de cobre para fabricar las vías pasantes.

En un diseño HDI producido con grabado sustractivo, el peso base de cobre podría comenzar en 0.25 oz por pie cuadrado para permitir anchos de línea y separaciones más pequeños. Luego, los orificios pueden metalizarse selectivamente para que el peso adecuado no se vea afectado durante la fabricación de microvías, y las capas externas pueden ajustarse hasta entre 0.5 oz por pie cuadrado y 1.0 oz por pie cuadrado. En PCB UHDI fabricadas de forma aditiva, el peso de cobre podría ser tan bajo como 1/8 oz por pie cuadrado.

Podemos usar el Layer Stack Manager in Altium Designer para calcular los cambios en la impedancia mientras se varía el peso del cobre alrededor de estos valores, manteniendo el mismo ancho de pista. Esto nos permite extraer una curva que muestra los cambios de impedancia a medida que cambia el peso del cobre debido a variaciones naturales del proceso.

Resultados

Después de ejecutar múltiples simulaciones manteniendo constante el ancho de pista y cambiando el peso del cobre, se extrajeron las curvas que se muestran a continuación para striplines y microstrips con el objetivo de una impedancia de 50 ohmios. Estas curvas muestran una pendiente general descendente en la impedancia a medida que el cobre aumenta ligeramente, lo que coincide con nuestra intuición sobre la impedancia de pista. Sin embargo, los datos interpolados y su derivada indican que los cambios en la impedancia de la pista son mayores cuando el espesor inicial de la película de cobre es más pequeño.

Ahora compare estos cambios de espesor en la gráfica anterior con los cambios de espesor observados en la imagen SEM de las striplines sobre ABF. Solo por una variación de unas pocas micras en el proceso de deposición aditiva, podríamos esperar una variación de 1.5–2 ohmios en la impedancia de la pista para una stripline de 50 ohmios. Si tiene un valor de tolerancia estándar del 10% para la impedancia de la pista, eso equivale a que alrededor del 30–40% del margen permitido ya haya sido consumido por variaciones del proceso.

¿Qué ocurre con una placa grabada de forma sustractiva? La misma variación (unas pocas micras) es típica de lo que veríamos en el cobre rugosizado de las striplines. Las gráficas muestran una variación de impedancia menor (aproximadamente un 50% menos). Sin embargo, aquí el impacto es más importante en términos de pérdida por aumento del efecto pelicular, lo que produce su propia variación de impedancia a altas frecuencias.

Qué significa todo esto para la integridad de señal

El resultado anterior para la placa UHDI fabricada de forma aditiva significa que, en realidad, su PCB fabricada solo tiene una tolerancia de impedancia disponible del 6–7%, no del 10%.

Algunos puntos porcentuales pueden parecer poco, así que ¿cómo afecta esto a la integridad de señal? Esencialmente, requiere aumentar el margen permitido que aceptaría en una gráfica de parámetros S para determinar el ancho de banda del canal. Existe un de facto -10 dB S11 limit por encima del cual generalmente consideramos que la impedancia está demasiado alejada de su objetivo. Esto requerirá aplicar un margen adicional, posiblemente estableciendo el valor máximo de pérdida en tan solo -15 dB para garantizar un margen suficiente.

En canales seriales de alto ancho de banda o en canales paralelos densos que experimentan mucho diafonía, cada pequeño margen de ruido importa, y ahí es donde se observan las pérdidas en una medición o en una simulación de diagrama de ojo. Todavía no existen enfoques de diseño suficientes para tener en cuenta esta variación, aparte de analizar el rango potencial de variación en los parámetros S, que puede simularse o medirse en cupones de prueba.

Tanto si necesita construir electrónica de potencia confiable como sistemas digitales avanzados, utilice el conjunto completo de funciones de diseño de PCB y herramientas CAD de clase mundial de Altium. Altium ofrece la principal plataforma del mundo para el desarrollo de productos electrónicos, completa con las mejores herramientas de diseño de PCB de la industria y funciones de colaboración interdisciplinaria para equipos de diseño avanzados. ¡Contacte hoy mismo con un experto de Altium!