高周波設計用のPCB銅箔の種類

PCB材料業界は、可能な限り信号損失を低減する材料の開発に多大な時間を費やしてきました。高速および高周波設計では、損失が信号伝播距離を制限し、信号を歪ませ、TDR測定で見られるインピーダンスの偏差を生じさせます。高周波で動作する回路を開発し、プリント基板を設計する際には、作成するすべての設計で可能な限り滑らかな銅を選択したくなるかもしれません。

確かに銅の粗さが追加のインピーダンス偏差と損失を生じさせることは事実ですが、実際にはどれほど滑らかな銅箔が必要でしょうか？超滑らかな銅をすべての設計に選択することなく、損失を克服するために使用できる簡単な方法はありますか？この記事では、これらの点について、またPCBスタックアップ材料を探し始める際に何を探すべきかについても見ていきます。

PCB銅箔の種類

通常、PCB素材における銅について話すとき、銅の特定のタイプについては触れず、その粗さについてのみ言及します。異なる銅の堆積方法は、異なる粗さの値を持つ膜を生成し、これは走査電子顕微鏡（SEM）の画像で明確に区別できます。高周波（通常は5 GHzのWiFi以上）や高速で動作する予定がある場合は、材料データシートに指定されている銅のタイプに注意してください。

また、データシートのDk値の意味を理解することも重要です。RogersのJohn Coonrodとのこのポッドキャストディスカッションを視聴して、Dk仕様についてさらに学びましょう。それを踏まえて、PCB銅箔の異なるタイプを見てみましょう。

電解銅箔

このプロセスでは、ドラムが電解液を通して回転し、電解析出反応を使用して銅箔をドラム上に「成長」させます。ドラムが回転するにつれて、結果として得られる銅膜は徐々にローラーに巻き付けられ、後でラミネートに巻き付けることができる連続した銅のシートを提供します。銅のドラム側は基本的にドラムの粗さと一致する一方で、露出した側ははるかに粗くなります。

標準的なPCB製造プロセスで使用されるためには、銅の粗い面をまずガラス樹脂の誘電体に接着する必要があります。残りの露出した銅（ドラム側）は、標準の銅張り積層プロセスで使用される前に、化学的に意図的に粗くする必要があります（例えば、プラズマエッチングで）。これにより、PCBスタックアップの次の層に接着できるようになります。

表面処理された電気銅めっき

すべての異なるタイプの表面処理された銅箔を包括する最適な用語がわかりませんので、上記の見出しとしました。これらの銅材料は、逆処理箔として最もよく知られていますが、他に2つのバリエーションがあります（下記参照）。

リバース処理された箔は、電解銅板の滑らかな面（ドラム側）に適用される表面処理を使用します。処理層は、銅を意図的に粗くするための薄いコーティングに過ぎません。これにより、誘電体材料への接着力が高まります。これらの処理は酸化防止バリアとしても機能し、腐食を防ぎます。この銅をラミネートパネルの作成に使用する場合、処理された側が誘電体に接合され、残りの粗い側が露出したままになります。露出した側はエッチング前に追加の粗さを必要とせず、既に次の層と接合するのに十分な強度を持っています。PCBスタックアップ。

リバース処理された銅箔の3つのバリエーションには次のものがあります：

• 高温伸長（HTE）銅箔： これはIPC-4562グレード3の仕様に準拠した電解銅箔です。露出した面も酸化防止バリアで処理され、保管中の腐食を防ぎます。
• 両面処理箔： この銅箔では、フィルムの両側に処理が施されています。この材料は時々、ドラム側処理箔と呼ばれます。
• 抵抗性銅：これは通常、表面処理された銅として分類されません。この銅箔は、銅のマット側に金属コーティングを施し、その後、望ましいレベルまで粗くされます。

これらの銅材料における表面処理の適用は簡単です：箔は追加の電解浴を通して転がされ、二次銅めっきが施され、その後、バリアシード層、最終的には防錆膜層が適用されます。

これらのプロセスにより、最小限の追加処理で標準的なボード製造プロセスで簡単に使用できる材料を得ることができます。

圧延焼鈍銅

圧延焼鈍銅箔は、一対のローラーを通して銅箔のロールを通過させ、所望の厚さまで銅シートを冷間圧延します。結果として得られる箔シートの粗さは、圧延パラメータ（速度、圧力など）によって異なります。結果として得られるシートは非常に滑らかであり、圧延焼鈍銅シートの表面には縞模様が見られます。下の画像は、電解銅箔と圧延焼鈍箔の比較を示しています。

低プロファイル銅

これは、代替プロセスで製造するタイプの銅箔とは必ずしも言えません。低プロファイル銅は、電気めっきされた銅であり、基板への接着のために十分な粗さを提供する微細な粗さ処理によって処理および変更され、非常に低い平均粗さを提供します。これらの銅箔の製造プロセスは通常、独自のものです。これらの箔は、超低プロファイル（ULP）、非常に低いプロファイル（VLP）、そして単に低プロファイル（LP、平均粗さ約1ミクロン）として分類されることがよくあります。

銅箔の種類とデータシートの銅の粗さ

結局のところ、特にRF PCBレイアウトの場合、粗さ値を得ようとしています。高周波設計に最適な材料セットは通常、超低プロファイルまたはロールアニール処理された銅箔（0.25から0.5ミクロン）、次いで低プロファイルおよび逆処理された箔（約1から1.5ミクロン）です。電気めっきされた銅は、非常に広範囲の表面粗さ（1から4ミクロンのどこでも）を持つ可能性があります。

以下に示すSEM画像には、電解析出された銅箔の例が2つ示されています（画像提供：オーク三井テクノロジーズ）。この画像から、電子ビームの入射角に基づいて、画像から粗さの値を抽出しようと試みることができます。粗さを測定する典型的な方法は、機械的なプロファイロメーターを使用することであり、非常に低い粗さのフィルムには干渉計法が使用されます。

しかし、特定のラミネートタイプや材料値と一緒に任意のタイプの銅を選ぶことはできません。市場で利用可能なものの中で作業する必要があります。しかし、銅の粗さが重要な高周波アプリケーションでは、材料ベンダーは、彼らの材料で使用しているPCB銅箔のタイプと粗さに関する情報を提供する上でまずまずの仕事をしています。以下のRogers 3003/3035データシートからの例を見てください。この表は、この高周波ラミネートセットの利用可能な銅箔を単一の場所にまとめているため非常に便利です。

この材料システムに対してラミネートタイプを選択したら、粗さデータを取得するためにベンダーに連絡できます。彼らは、あなたが使用に興味を持っている製品の粗さ範囲をリストした表を送ってくれるはずですので、設計に完全に適合するかどうかを確認できます。

別の例として、AGC Taconicの材料があります。以下の抜粋では、銅箔のタイプと、処理された側と未処理の側の箔の粗さ値の両方をリストしています。製品選択ガイドには、設計に適した材料を選択するために使用できるデータがさらに多くあります。

これらの値（またはラミネートベンダーへのメールの後）から、銅箔の粗さとインピーダンスへの影響をモデル化するために必要な粗さパラメータを取得できます。そこから、インピーダンス値を持つ伝送線のABCDパラメータから始めるか、または伝播定数を直接計算することによって損失を得ることができます。そして、損失を得た後、もしお望みであれば、あなたのインターコネクトの予想されるS21値を計算することができます。これで全てを知ることができました！

議論されることがほとんどない一点についてですが、特定のインターコネクト設計において、本当に銅箔の粗さを考慮する必要があるのでしょうか？粗さを無視しても正確な結果を保証できるのはいつですか？この記事では、銅の粗さを評価し、与えられた値が適切かどうかを判断するこの側面について議論します。

PCB銅箔の粗さ値を含む正確なインピーダンス計算を得たい場合は、Altium Designer®のLayer Stack Managerにある2Dフィールドソルバーを使用してください。インターコネクトに対して決定したインピーダンスプロファイルは、設計ルールに簡単に適用でき、ルーティング中に自動的に適用されます。PCBが完成し、設計を共同作業者や製造業者と共有する準備ができたら、Altium 365™プラットフォームを通じて完成した設計を共有できます。高度な電子機器を設計し製造するために必要なものは、すべて一つのソフトウェアパッケージにあります。

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