In che modo il peso del rame influisce sull'integrità del segnale nei PCB UHDI?

Ho parlato in video e articoli dei motivi per cui larghezze di linea più piccole e spaziature più ridotte richiedono un peso del rame inferiore. Il motivo principale è che i produttori non riescono a incidere il rame fino a ottenere larghezze di traccia e spaziature molto piccole, come valori di 2 mil/50 micron, quando il foglio di rame di base diventa paragonabile alla larghezza della pista in rame. Per questo motivo, le larghezze di linea e le spaziature più ridotte utilizzate nei PCB HDI tendono a presentare tracce con un rapporto d’aspetto più vicino a quello quadrato piuttosto che a un ampio trapezio. Questo vale soprattutto per gli strati stripline.

Con film di rame più sottili associati a larghezze di linea più piccole, cosa succede all’impedenza della linea? E in particolare, come varierà l’impedenza della linea al variare dello spessore del rame? Sono domande importanti perché influenzeranno il margine che si può accettare in una simulazione di una linea di trasmissione, antenna, circuito RF stampato o qualsiasi altro circuito che richieda al rame di mantenere il controllo dell’impedenza. Esaminerò questi aspetti in questo articolo e mostrerò anche alcuni dati sulle variazioni dell’impedenza di linea a fronte di variazioni reali dello spessore del film di rame.

Che aspetto ha il rame nell’UHDI

Come accennato sopra, le tracce di rame in un progetto UHDI hanno una sezione trasversale più vicina a un quadrato che a una tipica sezione rettangolare o trapezoidale. L’incisione sottrattiva è responsabile della creazione della sezione trapezoidale; questo perché l’agente incisore continua a erodere la superficie esposta del foglio di rame. Quando il peso del rame si riduce, il tempo di incisione diminuisce, e questo riduce il fattore di incisione sulla traccia, facendola apparire più quadrata.

La linea di demarcazione tipica tra HDI e UHDI è il punto in cui diventa necessario utilizzare processi additivi; SAP o mSAP sono necessari per fabbricare larghezze di linea inferiori a 50 micron utilizzate nei progetti UHDI. Con un processo additivo non c’è incisione e il rame depositato appare molto più squadrato rispetto al rame inciso. L’immagine qui sotto mostra un esempio di tracce depositate con processo additivo su film di buildup Ajinomoto (ABF) come striplines. Le tracce vengono depositate sull’ABF e poi ricoperte con uno strato di adesione per formare le striplines.

La quantità di variazione in queste tracce è piuttosto piccola, solo pochi micron nelle tracce mostrate nell’immagine di sinistra. Confrontate questo dato con le dimensioni della sezione trasversale, che sono approssimativamente 40 micron sia in orizzontale sia in verticale. Confrontate questa variazione con una tipica traccia incisa, dove la sola rugosità può rappresentare alcuni micron, e l’uniformità dei bordi e la planarità del foglio possono produrre una variabilità simile.

Per quanto riguarda l’integrità del segnale, questo solleva due domande importanti:

1. In che modo le variazioni dello spessore del rame influiscono sull’impedenza?
2. Come si confrontano questi effetti ai valori standard di peso del rame rispetto agli spessori del film nell’UHDI?

Studio dell’impatto sull’impedenza per pesi del rame elevati e ridotti

Per prima cosa, consideriamo cosa succede nelle tipiche costruzioni standard dei PCB. Il peso del rame di base è in genere di 0,5 oz per piede quadrato di foglio base, e gli strati esterni vengono ramati fino a circa 1,0 oz per piede quadrato di spessore del rame per poter realizzare i via passanti.

In un progetto HDI prodotto con incisione sottrattiva, il peso del rame di base potrebbe partire da 0,25 oz per piede quadrato per consentire larghezze di linea e spaziature più ridotte. I fori possono poi essere metallizzati selettivamente in modo che il peso corretto non venga alterato durante la fabbricazione delle microvia, e gli strati esterni possono essere rifiniti tra 0,5 oz per piede quadrato e 1,0 oz per piede quadrato. Nei PCB UHDI fabbricati con processo additivo, il peso del rame può arrivare fino a 1/8 oz per piede quadrato.

Possiamo usare il Layer Stack Manager in Altium Designer per calcolare le variazioni di impedenza variando il peso del rame attorno a questi valori, mantenendo invariata la stessa larghezza della traccia. Questo ci consente di ricavare una curva che mostra le variazioni di impedenza al variare del peso del rame dovute alle naturali variazioni di processo.

Risultati

Dopo aver eseguito più simulazioni mantenendo costante la larghezza della traccia e modificando il peso del rame, sono state ricavate le curve mostrate di seguito per striplines e microstrip con obiettivo di impedenza pari a 50 Ohm. Queste curve mostrano una tendenza generale decrescente dell’impedenza all’aumentare leggermente del rame, in linea con quanto intuitivamente ci aspettiamo riguardo all’impedenza della traccia. Tuttavia, i dati interpolati e la loro derivata indicano che le variazioni dell’impedenza della traccia sono maggiori quando lo spessore iniziale del film di rame è più piccolo.

Ora confrontate queste variazioni di spessore nel grafico sopra con quelle osservate nell’immagine SEM delle striplines su ABF. Già solo a causa di una variazione di pochi micron nel processo di deposizione additiva, potremmo aspettarci una variazione di 1,5–2 Ohm nell’impedenza della traccia per una stripline da 50 Ohm. Se si ha una tolleranza standard del 10% per l’impedenza della traccia, ciò equivale ad aver già consumato circa il 30–40% del margine consentito a causa delle variazioni di processo.

E per una scheda incisa con processo sottrattivo? La stessa variazione (pochi micron) è tipica di ciò che osserveremmo nel rame irruvidito delle striplines. I grafici mostrano una variazione di impedenza più contenuta (circa il 50% in meno). Tuttavia, qui l’impatto è più importante in termini di perdita dovuta all’aumento dello skin effect, che produce a sua volta una propria variazione di impedenza alle alte frequenze.

Cosa significa tutto questo per l’integrità del segnale

Il risultato sopra relativo alla scheda UHDI fabbricata con processo additivo significa che, nella pratica, il PCB prodotto dispone solo di una tolleranza di impedenza del 6–7%, non del 10%.

Qualche punto percentuale può sembrare poco, ma in che modo questo influisce sull’integrità del segnale? In sostanza, richiede di aumentare il margine consentito che si accetterebbe in un diagramma dei parametri S per determinare la larghezza di banda del canale. Esiste un limite de facto di S11 pari a -10 dB oltre il quale in genere consideriamo l’impedenza troppo lontana dal valore obiettivo. Questo richiederà di applicare un margine aggiuntivo, eventualmente impostando il valore massimo di perdita fino a -15 dB per garantire un margine sufficiente.

Nei canali seriali ad alta larghezza di banda o nei canali paralleli densi che subiscono molto crosstalk, ogni piccolo margine di rumore conta, ed è lì che le perdite si osservano in una misura o in una simulazione dell’eye diagram. Non esistono ancora approcci progettuali sufficienti per tenere conto di questa variabilità se non analizzare il potenziale intervallo di variazione nei parametri S, che può essere simulato o misurato su coupon di test.

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