Types de feuilles de cuivre pour PCB pour la conception haute fréquence

L'industrie des matériaux pour PCB a consacré beaucoup de temps à développer des matériaux qui offrent la perte de signal la plus faible possible. Pour les conceptions à haute vitesse et haute fréquence, les pertes limiteront la distance de propagation du signal et distordront les signaux, et cela créera une déviation de l'impédance qui peut être observée dans les mesures TDR. Lorsque nous concevons tout circuit imprimé et développons des circuits qui fonctionnent à des fréquences plus élevées, il peut être tentant d'opter pour le cuivre le plus lisse possible dans toutes les conceptions que vous créez.

Si il est vrai que la rugosité du cuivre crée une déviation d'impédance supplémentaire et des pertes, à quel point votre feuille de cuivre doit-elle vraiment être lisse ? Existe-t-il des méthodes simples que vous pouvez utiliser pour surmonter les pertes sans sélectionner du cuivre ultra-lisse pour chaque conception ? Nous examinerons ces points dans cet article, ainsi que ce que vous pouvez rechercher si vous commencez à chercher des matériaux de superposition de PCB.

Types de feuille de cuivre pour PCB

Normalement, lorsque nous parlons de cuivre sur les matériaux PCB, nous ne parlons pas du type spécifique de cuivre, mais seulement de sa rugosité. Différentes méthodes de dépôt de cuivre produisent des films avec différentes valeurs de rugosité, qui peuvent être clairement distinguées dans une image de microscope électronique à balayage (MEB). Si vous allez opérer à des fréquences élevées (normalement 5 GHz WiFi ou plus) ou à des vitesses élevées, alors faites attention au type de cuivre spécifié dans la fiche technique de votre matériel.

Assurez-vous également de comprendre la signification des valeurs Dk dans une fiche technique.Regardez cette discussion en podcast avec John Coonrod de Rogers pour en savoir plus sur les spécifications Dk. Avec cela en tête, examinons certains des différents types de feuille de cuivre PCB.

Électrodéposé

Dans ce processus, un tambour est tourné à travers une solution électrolytique, et une réaction d'électrodéposition est utilisée pour "faire croître" la feuille de cuivre sur le tambour. À mesure que le tambour tourne, le film de cuivre résultant est lentement enroulé sur un rouleau, donnant une feuille continue de cuivre qui peut ensuite être enroulée sur un stratifié. Le côté du tambour du cuivre correspondra essentiellement à la rugosité du tambour, tandis que le côté exposé sera beaucoup plus rugueux.

Afin d'être utilisé dans un processus de fabrication de PCB standard, le côté rugueux du cuivre sera d'abord lié à un diélectrique en verre-résine. Le cuivre restant exposé (côté tambour) devra être volontairement rendu rugueux chimiquement (par exemple, avec une gravure au plasma) avant de pouvoir être utilisé dans le processus standard de stratification de cuivre. Cela garantira qu'il puisse être lié à la couche suivante dans l'empilement du PCB.

Cuivre Électrodéposé Traitement de Surface

Je ne connais pas le meilleur terme qui englobe tous les différents types de feuilles de cuivre traitées en surface, d'où le titre ci-dessus. Ces matériaux en cuivre sont mieux connus sous le nom de feuilles traitées inversées, bien que deux autres variations soient disponibles (voir ci-dessous).

Les feuilles de cuivre traitées en inverse utilisent un traitement de surface qui est appliqué sur le côté lisse (côté tambour) d'une feuille de cuivre électrodéposée. Une couche de traitement est juste un revêtement mince qui rend intentionnellement le cuivre plus rugueux, afin qu'il ait une meilleure adhérence à un matériau diélectrique. Ces traitements agissent également comme une barrière contre l'oxydation qui empêche la corrosion. Lorsque ce cuivre est utilisé pour créer des panneaux stratifiés, le côté traité est lié au diélectrique, et le côté rugueux restant est exposé. Le côté exposé n'aura pas besoin de rugosité supplémentaire avant la gravure ; il aura déjà assez de force pour se lier à la couche suivante dans l'empilement PCB.

Trois variations du feuillard de cuivre traité en inverse comprennent :

• Feuillard de cuivre à allongement à haute température (HTE) : Il s'agit d'un feuillard de cuivre électrodéposé qui est conforme aux spécifications de la norme IPC-4562 Grade 3. La face exposée est également traitée avec une barrière contre l'oxydation pour prévenir la corrosion pendant le stockage.
• Feuillard à double traitement : Dans ce feuillard de cuivre, le traitement est appliqué des deux côtés du film. Ce matériau est parfois appelé feuillard traité côté tambour.
• Cuivre résistif : Celui-ci n'est normalement pas classé comme un cuivre traité en surface. Ce feuillard de cuivre utilise un revêtement métallique sur le côté mat du cuivre, qui est ensuite rendu rugueux au niveau souhaité.

L'application de traitement de surface sur ces matériaux en cuivre est simple : le feuillard est passé à travers des bains d'électrolyte supplémentaires qui appliquent un placage de cuivre secondaire, suivi d'une couche de semence barrière, et enfin d'une couche de film anti-ternissement.

Avec ces processus, vous disposez d'un matériel qui peut être facilement utilisé dans le processus de fabrication de cartes standard avec un traitement supplémentaire minimal.

Cuivre Recuit-Laminé

Les feuillards de cuivre recuit-laminé feront passer un rouleau de feuillard de cuivre à travers une paire de rouleaux, qui laminera à froid la feuille de cuivre à l'épaisseur désirée. La rugosité de la feuille de feuillard résultante variera en fonction des paramètres de laminage (vitesse, pression, etc.). La feuille résultante peut être très lisse, et des stries sont visibles sur la surface de la feuille de cuivre recuit-laminé. Les images ci-dessous montrent une comparaison entre un feuillard de cuivre électrodéposé et un feuillard recuit-laminé.

Cuivre à Profil Bas

Il ne s'agit pas nécessairement d'un type de feuille de cuivre que vous fabriqueriez avec un processus alternatif. Le cuivre à profil bas est du cuivre électrodéposé qui est traité et modifié par un processus de micro-rugosité pour fournir une rugosité moyenne très faible avec une rugosité suffisante pour l'adhésion au substrat. Les processus de fabrication de ces feuilles de cuivre sont normalement propriétaires. Ces feuilles sont souvent catégorisées comme ultra-bas profil (ULP), très bas profil (VLP) et simplement bas profil (LP, environ 1 micron de rugosité moyenne).

Types de feuille de cuivre et rugosité du cuivre dans les fiches techniques

En fin de compte, vous essayez d'obtenir une valeur de rugosité, surtout pour une disposition de PCB RF. Les ensembles de matériaux qui constituent les meilleures options pour les conceptions à haute fréquence sont normalement les feuilles de cuivre ultra-bas profil ou laminées recuites (0,25 à 0,5 microns), suivies par les feuilles à bas profil et traitées en inverse (environ 1 à 1,5 microns). Le cuivre électrodéposé pourrait avoir une gamme très large de rugosités de surface (de 1 à 4 microns).

Deux exemples de feuillards de cuivre électrodéposés sont présentés dans les images SEM ci-dessous (images avec l'aimable autorisation de Oak-Mitsui Technologies). À partir de cette image, on pourrait tenter d'extraire une valeur de rugosité basée sur l'angle d'incidence du faisceau d'électrons. La méthode typique pour mesurer la rugosité est d'utiliser un profilomètre mécanique, et il existe une méthode interférométrique utilisée pour les films de très faible rugosité.

Cependant, vous ne pouvez pas simplement choisir n'importe quel type de cuivre que vous voulez avec des types de laminés et des valeurs de matériaux spécifiques, vous devez travailler avec ce qui est disponible sur le marché. Cependant, dans les applications à haute fréquence où la rugosité du cuivre est importante, les fournisseurs de matériaux ont fait un travail décent en fournissant des informations sur le type et la rugosité des feuillards de cuivre PCB qu'ils utilisent dans leurs matériaux. Regardez l'exemple ci-dessous tiré d'une fiche technique de Rogers 3003/3035. Ce tableau est très utile car il compile tous les feuillards de cuivre disponibles pour cet ensemble de laminés à haute fréquence en un seul endroit.

Une fois que vous avez choisi un type de stratifié pour ce système de matériaux, vous pouvez contacter le fournisseur pour obtenir des données sur la rugosité. Il devrait être en mesure de vous envoyer un tableau qui liste la plage de rugosité pour le produit qui vous intéresse afin que vous puissiez le qualifier pleinement pour votre conception.

Un autre exemple peut être trouvé pour les matériaux AGC Taconic. Dans l'extrait ci-dessous, ils listent à la fois le type de feuille de cuivre et la valeur de rugosité de la feuille, tant pour les côtés traités que non traités. Il y a beaucoup plus de données disponibles dans leur guide de sélection de produits que vous pouvez utiliser pour sélectionner le matériel approprié pour votre conception.

À partir de ces valeurs (ou après un courriel au fournisseur de stratifié), vous pouvez obtenir les paramètres de rugosité dont vous auriez besoin pour modéliser la rugosité de la feuille de cuivre et ses effets sur l'impédance. À partir de là, vous pouvez obtenir les pertes, soit en partant des paramètres ABCD pour une ligne de transmission avec votre valeur d'impédance, soit en calculant directement la constante de propagation. Ensuite, vous pouvez obtenir les pertes et, si vous le souhaitez, calculer la valeur S21 attendue pour votre interconnexion. Vous savez maintenant tout !

Un point que je ne vois jamais discuté est le suivant : devez-vous vraiment prendre en compte la rugosité du feuillard de cuivre dans votre conception d'interconnexion spécifique ? Quand pouvez-vous ignorer la rugosité et être tout de même assuré d'obtenir des résultats précis ? Nous discuterons de cet aspect de l'évaluation de la rugosité du cuivre et de la détermination si une valeur donnée est appropriée dans un article à venir.

Si vous souhaitez obtenir des calculs d'impédance précis qui incluent les valeurs de rugosité pour votre feuillard de cuivre PCB, utilisez le solveur de champ 2D dans le Gestionnaire de Pile de Couches dans Altium Designer®. Le profil d'impédance que vous déterminez pour vos interconnexions peut être facilement appliqué à vos règles de conception et sera automatiquement respecté lors du routage. Une fois que vous avez terminé votre PCB et que vous êtes prêt à partager vos conceptions avec des collaborateurs ou votre fabricant, vous pouvez partager vos conceptions terminées via la plateforme Altium 365™. Tout ce dont vous avez besoin pour concevoir et produire des électroniques avancées se trouve dans un seul package logiciel.

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