Tipi di lamina di rame per PCB per il design ad alta frequenza

L'industria dei materiali per PCB ha dedicato molto tempo allo sviluppo di materiali che offrono la minima possibile perdita di segnale. Per i progetti ad alta velocità e ad alta frequenza, le perdite limiteranno la distanza di propagazione del segnale e distorceranno i segnali, creando una deviazione dell'impedenza che può essere osservata nelle misurazioni TDR. Mentre progettiamo qualsiasi circuito stampato e sviluppiamo circuiti che operano ad alte frequenze, potrebbe essere allettante optare per il rame più liscio possibile in tutti i progetti che creiamo.

Sebbene sia vero che la rugosità del rame crea una deviazione dell'impedenza aggiuntiva e perdite, quanto deve essere realmente liscio il tuo foglio di rame? Esistono alcuni metodi semplici che puoi utilizzare per superare le perdite senza selezionare rame ultra-liscio per ogni progetto? Esamineremo questi punti in questo articolo, così come cosa cercare se inizi a cercare materiali per l'impilamento dei PCB.

Tipi di Foglio di Rame per PCB

Normalmente, quando parliamo di rame sui materiali per PCB, non discutiamo del tipo specifico di rame, ma solo della sua rugosità. Diversi metodi di deposizione del rame producono film con differenti valori di rugosità, che possono essere chiaramente distinti in un'immagine ottenuta con un microscopio elettronico a scansione (SEM). Se devi operare ad alte frequenze (normalmente 5 GHz WiFi o superiori) o ad alte velocità, allora presta attenzione al tipo di rame specificato nel datasheet del tuo materiale.

Inoltre, assicurati di comprendere il significato dei valori Dk in un datasheet. Guarda questa discussione podcast con John Coonrod di Rogers per saperne di più sulle specifiche Dk. Con questo in mente, diamo un'occhiata ad alcuni dei diversi tipi di lamina di rame per PCB.

Elettrodeposto

In questo processo, un tamburo viene fatto ruotare attraverso una soluzione elettrolitica, e una reazione di elettrodeposizione viene utilizzata per "far crescere" la lamina di rame sul tamburo. Man mano che il tamburo ruota, il film di rame risultante viene lentamente avvolto su un rullo, ottenendo un foglio continuo di rame che può essere successivamente arrotolato su un laminato. Il lato del tamburo del rame corrisponderà essenzialmente alla rugosità del tamburo, mentre il lato esposto sarà molto più ruvido.

Per poter essere utilizzato in un processo standard di fabbricazione di PCB, il lato ruvido del rame verrà prima legato a un dielettrico di vetro-resina. Il rame esposto rimanente (lato del tamburo) dovrà essere intenzionalmente reso ruvido chimicamente (ad esempio, con incisione al plasma) prima che possa essere utilizzato nel processo standard di laminazione rame. Questo garantirà che possa essere legato al prossimo strato nel stackup del PCB.

Rame Elettrodepositato con Trattamento Superficiale

Non conosco il termine migliore che comprenda tutti i diversi tipi di lamine di rame con trattamento superficiale, da qui il titolo sopra. Questi materiali di rame sono meglio conosciuti come lamine trattate al rovescio, sebbene siano disponibili altre due varianti (vedi sotto).

Le lamine trattate al rovescio utilizzano un trattamento superficiale che viene applicato al lato liscio (lato tamburo) di un foglio di rame elettrodepositato. Uno strato di trattamento è semplicemente un sottile rivestimento che intenzionalmente rende ruvida la superficie del rame, così da avere una maggiore adesione a un materiale dielettrico. Questi trattamenti agiscono anche come una barriera all'ossidazione che previene la corrosione. Quando questo rame viene utilizzato per creare pannelli laminati, il lato trattato viene legato al dielettrico, e il lato ruvido residuo rimane esposto. Il lato esposto non avrà bisogno di ulteriori trattamenti per essere reso ruvido prima dell'incisione; avrà già sufficiente forza per legarsi al prossimo strato nel PCB stackup.

Tre variazioni del foglio di rame trattato al rovescio includono:

• Foglio di rame ad allungamento ad alta temperatura (HTE): Questo è un foglio di rame elettrodepositato che è conforme alle specifiche IPC-4562 Grado 3. Anche la faccia esposta è trattata con una barriera all'ossidazione per prevenire la corrosione durante la conservazione.
• Foglio trattato doppio: In questo foglio di rame, il trattamento è applicato ad entrambi i lati del film. Questo materiale è talvolta chiamato foglio trattato lato tamburo.
• Rame resistivo: Questo non è normalmente classificato come un rame trattato superficialmente. Questa lamina di rame utilizza un rivestimento metallico sul lato opaco del rame, che viene poi reso ruvido al livello desiderato.

L'applicazione del trattamento superficiale in questi materiali di rame è semplice: la lamina viene fatta passare attraverso bagni elettrolitici aggiuntivi che applicano una placcatura di rame secondaria, seguita da uno strato di barriera di semi e infine uno strato di film antiossidante.

Con questi processi, si ottiene un materiale che può essere facilmente utilizzato nel processo standard di fabbricazione delle schede con un minimo di lavorazione aggiuntiva.

Rame Laminato-Annegato

Le lamine di rame laminato-annegato faranno passare una lamina di rame attraverso una coppia di rulli, che laminano a freddo il foglio di rame fino allo spessore desiderato. La ruvidità del foglio di lamina risultante varierà a seconda dei parametri di laminazione (velocità, pressione, ecc.). Il foglio risultante può essere molto liscio, e le striature sono visibili sulla superficie del foglio di rame laminato-annegato. Le immagini sottostanti mostrano un confronto tra una lamina di rame elettrodepositato e una lamina laminato-annegato.

Rame a Basso Profilo

Questo non è necessariamente un tipo di lamina di rame che si fabbricherebbe con un processo alternativo. Il rame a basso profilo è rame elettrodepositato che viene trattato e modificato con un processo di micro-ruvidatura per fornire una rugosità media molto bassa con una ruvidatura sufficiente per l'adesione al substrato. I processi per la fabbricazione di queste lamine di rame sono normalmente proprietari. Queste lamine sono spesso categorizzate come ultra-basso profilo (ULP), molto basso profilo (VLP) e semplicemente basso profilo (LP, circa 1 micron di rugosità media).

Tipi di Lamina di Rame e Rugosità del Rame nei Datasheet

Alla fine della giornata, stai cercando di ottenere un valore di rugosità, specialmente per un layout di PCB RF. I set di materiali che costituiscono le migliori opzioni per i progetti ad alta frequenza sono normalmente lamine di rame ultra-basso profilo o laminati e ricotti (0,25 a 0,5 micron), seguiti da lamine a basso profilo e trattate al contrario (circa 1 a 1,5 micron). Il rame elettrodepositato potrebbe avere una gamma molto ampia di rugosità superficiali (da 1 a 4 micron).

Di seguito sono mostrati due esempi di fogli di rame elettrodepositato nelle immagini SEM (immagini per gentile concessione di Oak-Mitsui Technologies). Da quest'immagine, si potrebbe tentare di estrarre un valore di rugosità basato sull'angolo di incidenza del fascio di elettroni. Il metodo tipico per misurare la rugosità è utilizzare un profilometro meccanico, e c'è un metodo interferometrico che viene usato per film di molto bassa rugosità.

Tuttavia, non si può semplicemente scegliere qualsiasi tipo di rame si desidera insieme a specifici tipi di laminato e valori dei materiali, si deve lavorare con ciò che è disponibile sul mercato. Tuttavia, nelle applicazioni ad alta frequenza dove la rugosità del rame è importante, i fornitori di materiali hanno fatto un buon lavoro nel fornire informazioni sul tipo e sulla rugosità dei fogli di rame PCB che utilizzano nei loro materiali. Guardate l'esempio qui sotto tratto da un datasheet di Rogers 3003/3035. Questa tabella è molto utile perché raccoglie tutti i fogli di rame disponibili per questo set di laminati ad alta frequenza in un'unica posizione.

Una volta scelto un tipo di laminato per questo sistema di materiali, puoi contattare il fornitore per ottenere i dati sulla rugosità. Dovrebbero essere in grado di inviarti una tabella che elenca l'intervallo di rugosità per il prodotto che ti interessa utilizzare, così da poterlo qualificare completamente per il tuo design.

Un altro esempio può essere trovato per i materiali AGC Taconic. Nell'estratto qui sotto, elencano sia il tipo di lamina di rame sia il valore di rugosità della lamina, sia per i lati trattati che per quelli non trattati. C'è molto più dati disponibili nella loro guida alla selezione dei prodotti che puoi utilizzare per selezionare il materiale appropriato per il tuo design.

Dai questi valori (o dopo una email al fornitore del laminato), puoi ottenere i parametri di rugosità che ti servirebbero per modellare la rugosità della lamina di rame e i suoi effetti sull'impedenza. Da lì, puoi ottenere le perdite, partendo sia dai parametri ABCD per una linea di trasmissione con il tuo valore di impedenza, o calcolando direttamente la costante di propagazione. Poi puoi ottenere le perdite e, se vuoi, calcolare il valore S21 previsto per il tuo interconnettore. Ora sai tutto!

Un punto che non vedo mai discusso è il seguente: è davvero necessario considerare la rugosità della lamina di rame nel vostro specifico design di interconnessione? Quando si può ignorare la rugosità ed essere comunque sicuri di ottenere risultati accurati? Discuteremo questo aspetto della valutazione della rugosità del rame e della determinazione se un dato valore è appropriato in un prossimo articolo.

Se volete ottenere calcoli di impedenza accurati che includano i valori di rugosità per la vostra lamina di rame PCB, utilizzate il risolutore di campo 2D nel Layer Stack Manager in Altium Designer®. Il profilo di impedenza che determinate per i vostri interconnettori può essere facilmente applicato alle vostre regole di progettazione e sarà automaticamente applicato durante il routing. Una volta completato il vostro PCB e pronti per condividere i vostri progetti con i collaboratori o il vostro produttore, potete condividere i vostri progetti completati attraverso la piattaforma Altium 365™. Tutto ciò di cui avete bisogno per progettare e produrre elettronica avanzata si trova in un unico pacchetto software.

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