Jak grubość miedzi wpływa na integralność sygnału w płytkach UHDI PCB?

W filmach i artykułach omawiałem już powody, dla których mniejsze szerokości ścieżek i mniejsze odstępy wymagają niższej gramatury miedzi. Głównym powodem jest to, że producenci nie są w stanie wytrawić miedzi do bardzo małych szerokości ścieżek i odstępów, takich jak 2 mil/50 mikronów, gdy bazowa folia miedziana ma grubość zbliżoną do szerokości ścieżki. Z tego powodu najmniejsze szerokości ścieżek i odstępy stosowane w płytkach HDI zwykle dają ścieżki o przekroju bliższym kwadratowi niż szerokiemu trapezowi. Dotyczy to szczególnie warstw stripline.

Skoro cieńsze warstwy miedzi odpowiadają mniejszym szerokościom ścieżek, to co dzieje się z impedancją linii? A konkretnie — jak będzie się zmieniać impedancja linii przy danej zmianie grubości miedzi? To ważne pytania, ponieważ wpływają na wielkość marginesu, jaki można przyjąć w symulacji linii transmisyjnej, anteny, drukowanego obwodu RF lub dowolnego innego układu, w którym miedź musi utrzymywać kontrolę impedancji. W tym artykule omówię te kwestie, a także pokażę dane dotyczące zmian impedancji linii przy rzeczywistych odchyłkach grubości warstwy miedzi.

Jak wygląda miedź w UHDI

Jak wspomniano powyżej, ścieżki miedziane w projekcie UHDI mają przekrój bliższy kwadratowi niż typowemu przekrojowi prostokątnemu lub trapezowemu. Za powstawanie przekroju trapezowego odpowiada trawienie subtraktywne; dzieje się tak, ponieważ środek trawiący nadal usuwa miedź z odsłoniętej powierzchni folii miedzianej. Gdy gramatura miedzi maleje, czas trawienia jest krótszy, co zmniejsza współczynnik trawienia ścieżki i sprawia, że wygląda ona bardziej „kwadratowo”.

Typowa granica między HDI a UHDI pojawia się tam, gdzie trzeba zastosować procesy addytywne; SAP or mSAP są potrzebne do wytwarzania szerokości ścieżek poniżej 50 mikronów stosowanych w projektach UHDI. W procesie addytywnym nie ma trawienia, a osadzona miedź ma przekrój znacznie bardziej zbliżony do kwadratu niż miedź trawiona. Poniższy obraz przedstawia przykład addytywnie osadzonych ścieżek na folii Ajinomoto buildup film (ABF) w strukturze stripline. Ścieżki są osadzane na ABF, a następnie pokrywane warstwą wiążącą w celu utworzenia stripline.

Zakres zmienności tych ścieżek jest dość mały — tylko kilka mikronów dla ścieżek pokazanych na obrazie po lewej stronie. Porównajmy to z wymiarami przekroju, które wynoszą około 40 mikronów w poziomie i w pionie. Zestawmy tę zmienność z typową ścieżką trawioną, gdzie sama chropowatość może odpowiadać za kilka mikronów, a jednorodność krawędzi i płaskość folii mogą powodować podobne odchyłki.

W kontekście integralności sygnałowej rodzi to dwa ważne pytania:

1. Jak zmiany grubości miedzi wpływają na impedancję?
2. Jak te wpływy wypadają w porównaniu dla standardowych gramatur miedzi i dla grubości warstw stosowanych w UHDI?

Analiza wpływu na impedancję przy dużych i małych gramaturach miedzi

Najpierw rozważmy, co dzieje się w typowych, standardowych stosach warstw PCB. Bazowa gramatura miedzi to zazwyczaj 0,5 oz na stopę kwadratową folii bazowej, a warstwy zewnętrzne są dogalwanizowywane do około 1,0 oz na stopę kwadratową, aby umożliwić wykonanie przelotek metalizowanych.

W projekcie HDI wytwarzanym metodą trawienia subtraktywnego bazowa gramatura miedzi może zaczynać się od 0,25 oz na stopę kwadratową, aby umożliwić uzyskanie mniejszych szerokości ścieżek i odstępów. Otwory można następnie galwanizować selektywnie, tak aby podczas wykonywania mikrowii nie wpływać na wymaganą gramaturę, a warstwy zewnętrzne mogą zostać doprowadzone do zakresu od 0,5 oz do 1,0 oz na stopę kwadratową. W addytywnie wytwarzanych płytkach UHDI gramatura miedzi może wynosić zaledwie 1/8 oz na stopę kwadratową.

Możemy użyć Layer Stack Manager in Altium Designer, aby obliczyć zmiany impedancji przy zmianie gramatury miedzi wokół tych wartości przy zachowaniu tej samej szerokości ścieżki. Pozwala to wyznaczyć krzywą pokazującą, jak zmienia się impedancja wraz ze zmianą gramatury miedzi wynikającą z naturalnych odchyłek procesu.

Wyniki

Po przeprowadzeniu wielu symulacji, w których utrzymano stałą szerokość ścieżki i zmieniano gramaturę miedzi, uzyskano pokazane poniżej krzywe dla stripline i microstrip projektowanych pod impedancję 50 omów. Krzywe te pokazują ogólny trend spadkowy impedancji przy niewielkim wzroście ilości miedzi, co jest zgodne z intuicją dotyczącą impedancji ścieżki. Jednak dane interpolowane i ich pochodna wskazują, że zmiany impedancji ścieżki są większe, gdy początkowa grubość warstwy miedzi jest mniejsza.

Porównajmy teraz te zmiany grubości na powyższym wykresie ze zmianami grubości widocznymi na obrazie SEM przedstawiającym stripline na ABF. Już sama zmienność rzędu kilku mikronów w procesie osadzania addytywnego może powodować zmianę impedancji ścieżki o 1,5–2 omy dla stripline 50 omów. Jeśli przyjmiemy standardową tolerancję impedancji ścieżki równą 10%, oznacza to, że około 30–40% dopuszczalnego marginesu jest już zużyte przez odchyłki procesu.

A co z płytką trawioną subtraktywnie? Taka sama zmienność (kilka mikronów) jest typowa dla chropowatej miedzi stosowanej w stripline. Wykresy pokazują mniejszą zmianę impedancji (o około 50%). Jednak w tym przypadku ważniejszy jest wpływ na straty wynikające ze wzrostu efektu naskórkowego, który przy wysokich częstotliwościach sam w sobie powoduje dodatkowe zmiany impedancji.

Co to wszystko oznacza dla integralności sygnałowej

Wynik przedstawiony powyżej dla addytywnie wytwarzanej płytki UHDI oznacza, że w rzeczywistości wyprodukowana PCB ma dopuszczalną tolerancję impedancji tylko 6–7%, a nie 10%.

Kilka punktów procentowych może wydawać się niewielką różnicą, ale jak wpływa to na integralność sygnałową? W praktyce oznacza to konieczność zwiększenia dopuszczalnego marginesu, jaki akceptujesz na wykresie parametrów S przy wyznaczaniu szerokości pasma kanału. Istnieje de facto -10 dB S11 limit, powyżej którego generalnie uznajemy, że impedancja zbyt mocno odbiega od wartości docelowej. Będzie to wymagało zastosowania dodatkowego marginesu, być może nawet ustawienia maksymalnej wartości strat na poziomie -15 dB, aby zapewnić wystarczający zapas.

W szerokopasmowych kanałach szeregowych lub w gęsto upakowanych kanałach równoległych, w których występują silne przesłuchy, każdy niewielki margines szumowy ma znaczenie — i to właśnie tam straty są widoczne w pomiarach lub w symulacji diagramu oka. Nadal nie ma wystarczających metod projektowych pozwalających uwzględnić tę zmienność inaczej niż przez analizę potencjalnego zakresu zmian parametrów S, które można zasymulować lub zmierzyć na kuponach testowych.

Niezależnie od tego, czy chcesz tworzyć niezawodną energoelektronikę, czy zaawansowane systemy cyfrowe, skorzystaj z kompletnego zestawu funkcji projektowania PCB i światowej klasy narzędzi CAD firmy Altium. Altium oferuje wiodącą na świecie platformę do tworzenia produktów elektronicznych, obejmującą najlepsze w branży narzędzia do projektowania PCB oraz funkcje współpracy międzydyscyplinarnej dla zaawansowanych zespołów projektowych. Skontaktuj się z ekspertem Altium już dziś!