Tipos de lámina de cobre para PCB en diseños de alta frecuencia

La industria de materiales para PCB ha dedicado cantidades significativas de tiempo en desarrollar materiales que proporcionen la menor pérdida de señal posible. Para diseños de alta velocidad y alta frecuencia, las pérdidas limitarán la distancia de propagación de la señal y distorsionarán las señales, y crearán una desviación de impedancia que se puede observar en las mediciones TDR. A medida que diseñamos cualquier placa de circuito impreso y desarrollamos circuitos que operan a frecuencias más altas, puede ser tentador optar por el cobre más suave posible en todos los diseños que creas.

Mientras es cierto que la rugosidad del cobre crea una desviación de impedancia adicional y pérdidas, ¿qué tan suave necesita ser realmente tu lámina de cobre? ¿Existen algunos métodos simples que puedes usar para superar las pérdidas sin seleccionar cobre ultra suave para cada diseño? Examinaremos estos puntos en este artículo, así como qué puedes buscar si comienzas a buscar materiales para el apilado de PCB.

Tipos de Lámina de Cobre para PCB

Normalmente, cuando hablamos de cobre en los materiales de PCB, no hablamos del tipo específico de cobre, solo hablamos de su rugosidad. Los diferentes métodos de deposición de cobre producen películas con diferentes valores de rugosidad, los cuales pueden distinguirse claramente en una imagen de microscopio electrónico de barrido (SEM). Si vas a operar a altas frecuencias (normalmente 5 GHz WiFi o más) o a altas velocidades, entonces presta atención al tipo de cobre especificado en la hoja de datos de tu material.

También, asegúrate de entender el significado de los valores de Dk en una hoja de datos.Mira esta discusión en podcast con John Coonrod de Rogers para aprender más sobre las especificaciones de Dk. Con eso en mente, veamos algunos de los diferentes tipos de lámina de cobre para PCB.

Electrodepositado

En este proceso, un tambor gira a través de una solución electrolítica, y una reacción de electrodeposición se utiliza para "crecer" la lámina de cobre sobre el tambor. A medida que el tambor rota, la película de cobre resultante se envuelve lentamente en un rodillo, dando una hoja continua de cobre que luego puede ser enrollada en un laminado. El lado del tambor del cobre esencialmente coincidirá con la rugosidad del tambor, mientras que el lado expuesto será mucho más rugoso.

Para poder ser utilizado en un proceso estándar de fabricación de PCB, el lado áspero del cobre primero será unido a un dieléctrico de vidrio-resina. El cobre expuesto restante (lado del tambor) necesitará ser áspero intencionalmente de manera química (por ejemplo, con grabado por plasma) antes de que pueda ser utilizado en el proceso estándar de laminación de cobre. Esto asegurará que pueda ser unido a la siguiente capa en el apilado del PCB.

Cobre Electrodepositado Tratado Superficialmente

No conozco el mejor término que englobe todos los diferentes tipos de láminas de cobre tratadas superficialmente, de ahí el encabezado anterior. Estos materiales de cobre son mejor conocidos como láminas tratadas inversamente, aunque hay disponibles otras dos variaciones (ver abajo).

Los foiles tratados en reversa utilizan un tratamiento superficial que se aplica al lado liso (lado del tambor) de una lámina de cobre electrodepositado. Una capa de tratamiento es simplemente un recubrimiento delgado que intencionalmente hace más rugoso el cobre, para que tenga una mayor adherencia a un material dieléctrico. Estos tratamientos también actúan como una barrera contra la oxidación que previene la corrosión. Cuando este cobre se utiliza para crear paneles laminados, el lado tratado se une al dieléctrico, y el lado rugoso restante queda expuesto. El lado expuesto no necesitará ningún rugosidad adicional antes del grabado; ya tendrá suficiente fuerza para unirse a la siguiente capa en el apilado de PCB.

Tres variaciones del foil de cobre tratado en reversa incluyen:

• Foil de cobre de elongación a alta temperatura (HTE): Este es un foil de cobre electrodepositado que cumple con las especificaciones de la norma IPC-4562 Grado 3. La cara expuesta también se trata con una barrera contra la oxidación para prevenir la corrosión durante el almacenamiento.
• Foil tratado doblemente: En este foil de cobre, el tratamiento se aplica a ambos lados de la película. Este material a veces se llama foil tratado del lado del tambor.
• Cobre resistivo: Normalmente, este no se clasifica como un cobre tratado superficialmente. Este papel de cobre utiliza un recubrimiento metálico sobre el lado mate del cobre, que luego se endurece hasta alcanzar el nivel deseado.

La aplicación de tratamiento superficial en estos materiales de cobre es sencilla: el papel se pasa a través de baños electrolíticos adicionales que aplican un recubrimiento secundario de cobre, seguido de una capa de semilla de barrera, y finalmente una capa de película anti-deslustre.

Con estos procesos, se obtiene un material que puede ser fácilmente utilizado en el proceso estándar de fabricación de placas con un procesamiento adicional mínimo.

Cobre Laminado-Annealed

Los papeles de cobre laminado-annealed pasarán una lámina de cobre a través de un par de rodillos, que laminarán en frío la lámina de cobre hasta el grosor deseado. La rugosidad de la lámina de papel resultante variará dependiendo de los parámetros de laminación (velocidad, presión, etc.). La lámina resultante puede ser muy suave, y las estrías son visibles en la superficie de la lámina de cobre laminado-annealed. Las imágenes a continuación muestran una comparación entre un papel de cobre electrodepositado y uno laminado-annealed.

Cobre de Bajo Perfil

Este no es necesariamente un tipo de lámina de cobre que fabricarías con un proceso alternativo. El cobre de bajo perfil es cobre electrodepositado que se trata y modifica con un proceso de microasperizado para proporcionar una rugosidad media muy baja con aspereza suficiente para la adhesión al sustrato. Los procesos para fabricar estas láminas de cobre suelen ser propietarios. Estas láminas a menudo se clasifican como de perfil ultra bajo (ULP), perfil muy bajo (VLP) y simplemente bajo perfil (LP, aproximadamente 1 micrón de rugosidad media).

Tipos de lámina de cobre y rugosidad del cobre en las hojas de datos

Al final del día, estás tratando de obtener un valor de rugosidad, especialmente para un diseño de PCB de RF. Los conjuntos de materiales que constituyen las mejores opciones para diseños de alta frecuencia son normalmente láminas de cobre de perfil ultra bajo o cobre laminado recocido (0.25 a 0.5 micrones), seguidos por cobre de bajo perfil y láminas tratadas al revés (aproximadamente 1 a 1.5 micrones). El cobre electrodepositado podría tener un rango muy amplio de rugosidades superficiales (desde 1 hasta 4 micrones).

Dos ejemplos de foiles de cobre electrodepositados se muestran en las imágenes SEM a continuación (imágenes cortesía de Oak-Mitsui Technologies). A partir de esta imagen, uno podría intentar extraer un valor de rugosidad de la imagen basándose en el ángulo de incidencia del haz de electrones. El método típico para medir la rugosidad es usar un perfilómetro mecánico, y hay un método interferométrico que se utiliza para películas de muy baja rugosidad.

Sin embargo, no puedes simplemente elegir cualquier tipo de cobre que quieras junto con tipos específicos de laminados y valores de materiales, tienes que trabajar con lo que está disponible en el mercado. Sin embargo, en aplicaciones de alta frecuencia donde la rugosidad del cobre es importante, los proveedores de materiales han hecho un buen trabajo proporcionando información sobre el tipo y la rugosidad de los foiles de cobre de PCB que utilizan en sus materiales. Echa un vistazo al ejemplo a continuación de una hoja de datos de Rogers 3003/3035. Esta tabla es muy útil porque compila todos los foiles de cobre disponibles para este conjunto de laminado de alta frecuencia en una única ubicación.

Una vez que elijas un tipo de laminado para este sistema de materiales, puedes contactar al proveedor para obtener datos de rugosidad. Deberían poder enviarte una tabla que liste el rango de rugosidad para el producto que te interesa usar, de modo que puedas calificarlo completamente para tu diseño.

Otro ejemplo se puede encontrar para los materiales de AGC Taconic. En el extracto a continuación, listan tanto el tipo de lámina de cobre como el valor de rugosidad de la lámina, tanto para los lados tratados como los no tratados. Hay muchos más datos disponibles en su guía de selección de productos que puedes usar para seleccionar el material apropiado para tu diseño.

A partir de estos valores (o después de un correo electrónico al proveedor del laminado), puedes obtener los parámetros de rugosidad que necesitarías para modelar la rugosidad de la lámina de cobre y sus efectos en la impedancia. A partir de ahí, puedes obtener las pérdidas, ya sea comenzando desde los parámetros ABCD para una línea de transmisión con tu valor de impedancia, o calculando directamente la constante de propagación. Luego puedes obtener las pérdidas y, si lo deseas, calcular el valor S21 esperado para tu interconexión. ¡Ahora lo sabes todo!

Un punto que nunca veo discutido es el siguiente: ¿realmente necesitas considerar la rugosidad del cobre en tu diseño de interconexión específico? ¿Cuándo puedes ignorar la rugosidad y aún así estar seguro de que obtendrás resultados precisos? Discutiremos este aspecto de evaluar la rugosidad del cobre y determinar si un valor dado es apropiado en un artículo próximo.

Si quieres obtener cálculos de impedancia precisos que incluyan valores de rugosidad para tu lámina de cobre PCB, usa el solucionador de campo 2D en el Layer Stack Manager en Altium Designer®. El perfil de impedancia que determines para tus interconexiones se puede aplicar fácilmente a tus reglas de diseño y se aplicará automáticamente durante el enrutamiento. Una vez que hayas completado tu PCB y estés listo para compartir tus diseños con colaboradores o tu fabricante, puedes compartir tus diseños completados a través de la plataforma Altium 365™. Todo lo que necesitas para diseñar y producir electrónica avanzada se puede encontrar en un solo paquete de software.

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