Ile szorstkości powierzchni miedzi na PCB jest za dużo?

Gdy mówimy o chropowatości miedzi, zawsze przedstawiamy to, jakby było to zjawisko zawsze negatywne. Faktem jest, że niektóre obwody będą działać całkiem dobrze, nawet jeśli miedź jest chropowata. Dopóki twoje ścieżki są wykonane zgodnie ze specyfikacją pod każdym innym względem, chropowatość ścieżek może nie mieć znaczenia, dopóki twoja częstotliwość pracy lub pasmo są wystarczająco niskie. Co więc oznacza „wystarczająco nisko” i kiedy wpływ chropowatości jest na tyle mały, że możemy go zignorować?

W niedawnym artykule o foliach miedzianych przedstawiłem kilka informacji na temat różnych typów folii miedzianych oraz niektóre zakresy wartości chropowatości, jakich można się spodziewać po tych foliach. Kiedy zaczynasz szukać materiałów do budowy swojego projektu wysokiej częstotliwości, warto określić, czy czynnik chropowatości wpłynie na impedancję i straty do stopnia, który jest nadmierny. W tym artykule pokażę trzy strategie, które możesz wykorzystać, aby określić, czy chropowatość powinna być zminimalizowana w twoim projekcie. Obejmuje to analizę danych lub wykonanie kilku prostych obliczeń, aby określić chropowatość.

Kiedy powinieneś martwić się o chropowatość folii miedzianej?

To jest ważne pytanie i można na nie odpowiedzieć z co najmniej dwóch perspektyw. Gdy tylko powiesz projektantowi „Hej, musisz uwzględnić chropowatość miedzi w swoich obliczeniach impedancji”, prawdopodobnie będzie chciał wyrzucić swój kalkulator impedancji i zrezygnować z uzyskania dokładnych przewidywań impedancji.

Rzeczywistość jest taka, że chropowatość miedzi nie będzie miała zauważalnych efektów poniżej pewnych częstotliwości. Jeśli pracujesz ze standardowymi magistralami cyfrowymi o niższej prędkości (I2C, SPI, UART, lub po prostu przełączasz swoje GPIO), wtedy nie musisz martwić się o chropowatość miedzi z dwóch powodów:

1. Te magistrale nie mają specyfikacji impedancji i dlatego nie wymagają kontrolowanego trasowania impedancji
2. Większość pasma tych sygnałów jest ograniczona dobrze poniżej częstotliwości, gdzie chropowatość miedzi staje się ważnym czynnikiem wpływającym na twoją konstrukcję.

Jednakże, jeśli projektujesz z najnowszą iteracją powszechnych protokołów cyfrowych, WiFi 5 GHz, niskoszumowych drukowanych obwodów RF, systemów radarowych, lub ultrasybkie protokoły cyfrowe (56G+ SerDes), wtedy chropowatość miedzi zdecydowanie będzie miała znaczenie i powinna być rozważona przy wyborze materiałów.

Bez nadmiernego uogólniania, istnieją dwa sposoby podejścia do problemu i określenia, czy chropowatość miedzi będzie miała znaczenie w twojej konstrukcji:

1. Oblicz przybliżone i dokładne spektra impedancji dla proponowanych połączeń i porównaj
2. Przyjrzyj się pomiarom strat wstawienia dla różnych wartości chropowatości miedzi
3. Wykorzystaj wyniki z punktu #1, aby uzyskać stałą propagacji i porównać straty jako funkcję parametrów chropowatości

Opcja #1 to pierwsza rzecz, którą zrobisz, aby uzyskać prognozę S11 dla twojego połączenia. Opcje #2 i #3 są w zasadzie takie same, jeśli o tym pomyślisz… po prostu porównujesz pomiary i obliczenia S21. Idea tutaj polega na zobaczeniu, kiedy różne typy folii miedzianej PCB powodują nadmierne straty w porównaniu do niemal doskonałej miedzi, i jakie to są straty.

Opcja #1

Typ kalkulatora impedancji, który znajdziesz w swoim oprogramowaniu do projektowania PCB, jest doskonały do uzyskania dość dokładnego oszacowania wpływu chropowatej impedancji, pod warunkiem że masz dostęp do parametrów chropowatości dla swoich zestawów materiałowych.

• Przeczytaj więcej o używaniu parametrów chropowatości w tym artykule.

Zakładając, że możesz uzyskać dane o chropowatości, zarówno z bezpośredniego pomiaru profilu powierzchni, jak i z obrazów mikroskopowych, takich jak te pokazane powyżej, możesz użyć tego do obliczenia impedancji z i bez chropowatości.

Jako przykład, spójrz na wyniki symetrycznej linii paskowej pokazane poniżej. Wyniki dla powierzchni szorstkiej i gładkiej zostały zasymulowane z warstwami dielektrycznymi o grubości 4 mil, niezmodyfikowanym Dk = 4.17 bez dystrybucji dielektrycznej, oraz wyniki impedancji dla powierzchni szorstkiej z użyciem dwóch modeli (Hammerstad i Cannonball-Huray). Szerokość naszej linii paskowej wynosi W = 3.008 mil, co jest trochę małe.

Jeśli zignorujemy szorstkość, impedancja będzie przeszacowana o około 5%! Widzimy również, że odchylenie w rzeczywistej części impedancji, gdzie zaczynają pojawiać się wszystkie straty, tylko rośnie... Dzieje się tak, ponieważ całkowicie zignorowaliśmy, jak szorstkość modyfikuje Dk, powodując, że wydaje się ono większe niż nominalna (zaplanowana) wartość.

To jeden z przypadków, gdy jasne jest, że użycie laminatu o niższym Dk jest ważne. Będzie to wymagało użycia szerszego śladu, aby można było pozostać w ramach standardowych możliwości produkcyjnych. Korzyścią uboczną jest to, że prawdopodobnie zobaczysz mniejsze straty w tej sytuacji.

Opcje #2 i #3

Opcja nr 2 jest dość prosta, pod warunkiem że dysponujesz pewnymi danymi S21 dla swojego zestawu materiałów. Analizując dane dotyczące strat dielektrycznych (zakładając, że jest to najważniejszy czynnik w przypadku elektrycznie długich połączeń), możesz mniej więcej ocenić, przy jakich częstotliwościach straty spowodowane chropowatością miedzi będą. Jako przykład, poniższy obrazek przedstawia pewne dane od Rogers dla folii miedzianej ½ oz./sq. ft. na laminacie z ciekłego kryształu polimerowego (LCP) o grubości 4 mil (zobacz tutaj oryginalne dane).

Z powyższego wykresu wynika, że różnice między tymi krzywymi są znikome przy częstotliwościach poniżej około 2 GHz, ale możemy zauważyć, że krzywe strat wstawiania dla różnych chropowatości miedzi bardzo różnią się przy wysokich częstotliwościach. Jeśli pracowałbyś na wysokich częstotliwościach, a straty byłyby ważnym czynnikiem, mógłbyś to rozważyć w kontekście kosztów dla swojego konkretnego laminatu. Alternatywnie, jeśli miałbyś dostęp tylko do jednej klasy chropowatej miedzi od dostawcy laminatu, mógłbyś poszukać alternatywnego laminatu o niższych stratach dielektrycznych.

Dopóki możesz uzyskać dane dotyczące strat wstawiania od innych dostawców materiałów, możesz dokonywać podobnych porównań. Jednakże, gdy te dane nie są bezpośrednio dostępne, musiałbyś użyć ich wartości chropowatości i wartości tangensa strat dla różnych opcji materiałowych, aby oszacować stratę wstawiania przy Twojej częstotliwości pracy. Możesz to faktycznie obliczyć bezpośrednio, stosując następujący proces:

1. Oblicz impedancję bezstratną dla Twojego połączenia, używając gładkiej stałej dielektrycznej (zobacz tutaj wzór na stałą dielektryczną)
2. Oblicz impedancję stratną z Twojego modelu chropowatości z impedancji bezstratnej
3. Oblicz stałą propagacji
4. Użyj wyniku z punktu #3 do obliczenia straty wstawiania za pomocą standardowego wzoru z parametrów ABCD na parametry S

Aby ułatwić sprawę i wyeliminować potrzebę przeprowadzania transformacji z impedancji bezstratnej na stratną, możesz użyć prostej aproksymacji, która jest ważna przy niższych częstotliwościach, aby oszacować, kiedy strata przewodnika staje się nadmierna. Całkowita strata (w tym przypadku S21) i powiązane równania, których będziesz potrzebować, to:

W tej aproksymacji, bezstratna impedancja charakterystyczna Z0 jest używana do szacowania strat przewodnika z uwzględnieniem i bez uwzględnienia chropowatości. Należy zauważyć, że według tej aproksymacji, twierdzi się, iż straty dielektryczne nie zmieniają się wraz z parametrami chropowatości. To nie jest do końca prawda, ponieważ, jak można zobaczyć z artykułu, który powyżej podlinkowałem, stała dielektryczna (włączając w to urojoną część stałej dielektrycznej) może wzrosnąć, jeśli chropowatość się zwiększy.

Dla naszych celów skupimy się tylko na stratach przewodnika z gołego miedzi. Jeśli użyjesz wartości oporu skórnego (Rs) pokazanej powyżej oraz oporu stałego, potrzebujesz tylko wartości współczynnika korekty chropowatości K, aby uzyskać stratę przewodnika. Dla gładkiej linii zawsze mamy K = 1, natomiast dla chropowatej linii, będziesz musiał obliczyć K używając standardowego modelu chropowatości. Poniżej,

przedstawiłem wyniki z dwóch modeli do porównania (Hammerstad i Cannonball Huray, grubość dielektryka 4.12 mil, niezmodyfikowana Dk = 4.17/Df = 0.014 dla gładkiej miedzi). Straty dielektryczne są obliczane z zastosowaniem korekty chropowatości do stałej dielektrycznej, co zwiększy straty dielektryczne.

Wzrost strat jest uderzający przy wysokich częstotliwościach, chociaż strata dielektryczna przewyższa stratę przewodnika prawie dwukrotnie przy 10 GHz. Pamiętaj, że twoja rezystancja stałoprądowa i rezystancja powierzchniowa powyżej są podane na jednostkę długości. Dlatego, jakąkolwiek jednostkę długości użyjesz do uzyskania tych wartości, będzie to ta sama jednostka w wartości dB/na długość z obliczeń.

Ostateczne przemyślenia

Rzeczywistość jest często znacznie bardziej skomplikowana, niż lubimy zakładać w modelach teoretycznych, i ostatecznie stosunkowo skomplikowany model geometryczny, taki jak Cannonball-Huray (lub jakikolwiek inny model chropowatości), będzie odbiegać od rzeczywistości. Jeśli potrzebujesz dokonać bardziej szczegółowego modelowania zachowania połączeń przy wysokich częstotliwościach i potrzebujesz bardzo dokładnych wartości współczynnika korekty chropowatości lub pomiarów chropowatości, wtedy powinieneś uzyskać te pomiary i użyć ich w projektach swoich połączeń.

Jedna ważna kwestia tutaj to, że może nie potrzebujesz mieć idealnie gładkiej miedzi na każdej warstwie. Na przykład, możesz zaprojektować hybrydowy układ warstw, który wspiera trasowanie sygnałów wysokiej prędkości/wysokiej częstotliwości na jednej warstwie z gładką miedzią. Wszystkie inne warstwy mogą mieć chropowatą miedź, ale jeśli te warstwy obsługują tylko sygnały o niższej prędkości lub niższych częstotliwościach, wtedy chropowatość miedzi na tych warstwach nie będzie miała znaczenia. Nie próbuj nadmiernie inżynierować płyty, jeśli nie potrzebujesz.

Jeśli chcesz uzyskać dokładne obliczenia impedancji charakterystycznej, które uwzględniają wartości chropowatości dla folii miedzianej Twojej PCB, użyj 2D field solvera w Layer Stack Manager w Altium Designer®. Profil impedancji, który ustalisz dla swoich połączeń, można łatwo zastosować do zasad projektowania i będą one automatycznie egzekwowane podczas trasowania. Gdy ukończysz swoją PCB i będziesz gotowy, aby podzielić się swoimi projektami z współpracownikami lub producentem, możesz udostępnić swoje gotowe projekty za pośrednictwem platformy Altium 365™. Wszystko, czego potrzebujesz do projektowania i produkcji zaawansowanych urządzeń elektronicznych, można znaleźć w jednym pakiecie oprogramowania.

Dopiero zaczęliśmy odkrywać, co jest możliwe do zrobienia z Altium Designer na Altium 365. Zacznij swoją darmową wersję próbną Altium Designer + Altium 365 już dziś.