Rodzaje folii miedzianej do PCB dla projektów wysokich częstotliwości

Branża materiałów PCB poświęciła znaczne ilości czasu na rozwijanie materiałów, które zapewniają jak najmniejsze straty sygnału. W projektach o wysokiej prędkości i wysokiej częstotliwości, straty będą ograniczać odległość propagacji sygnału i zniekształcać sygnały, co spowoduje odchylenie impedancji, które można zaobserwować w pomiarach TDR. Projektując dowolną płytę drukowaną i rozwijając obwody pracujące na wyższych częstotliwościach, może być kuszące, aby wybrać jak najgładszą możliwą miedź we wszystkich projektach, które tworzysz.

Chociaż prawdą jest, że szorstkość miedzi tworzy dodatkowe odchylenia impedancji i straty, jak gładka naprawdę musi być Twoja folia miedziana? Czy istnieją jakieś proste metody, których możesz użyć, aby pokonać straty bez wybierania ultra-gładkiej miedzi do każdego projektu? Przyjrzymy się tym punktom w tym artykule, jak również temu, czego możesz szukać, jeśli zaczniesz szukać materiałów do stosu PCB.

Typy folii miedzianej PCB

Zazwyczaj, gdy mówimy o miedzi w materiałach PCB, nie rozmawiamy o konkretnym typie miedzi, tylko o jej chropowatości. Różne metody osadzania miedzi produkują filmy o różnych wartościach chropowatości, które można wyraźnie rozróżnić na obrazie z mikroskopu elektronowego (SEM). Jeśli zamierzasz pracować na wysokich częstotliwościach (zazwyczaj 5 GHz WiFi lub wyżej) lub przy wysokich prędkościach, zwróć uwagę na typ miedzi określony w karcie danych materiału.

Również upewnij się, że rozumiesz znaczenie wartości Dk w karcie danych. Obejrzyj tę dyskusję podcastową z Johnem Coonrodem z Rogers, aby dowiedzieć się więcej o specyfikacjach Dk. Mając to na uwadze, przyjrzyjmy się niektórym różnym typom folii miedzianej PCB.

Elektroosadzana

W tym procesie bęben jest obracany przez roztwór elektrolityczny, a reakcja elektroosadzania jest używana do „wyhodowania” folii miedzianej na bębnie. W miarę obracania się bębna, powstająca folia miedziana jest powoli nawijana na wałek, dając ciągły arkusz miedzi, który później może być nawinięty na laminat. Strona bębna folii miedzianej będzie w zasadzie odpowiadać chropowatości bębna, podczas gdy strona wystawiona będzie znacznie chropowatsza.

Aby można było użyć w standardowym procesie produkcji PCB, szorstka strona miedzi najpierw zostanie połączona z dielektrykiem szklano-żywicznym. Pozostała odsłonięta miedź (strona bębna) musi zostać celowo zgrubiona chemicznie (np. za pomocą trawienia plazmowego) zanim będzie mogła być użyta w standardowym procesie laminowania miedzi. Zapewni to możliwość połączenia jej z następną warstwą w stosie PCB.

Elektroosadzona miedź z obróbką powierzchniową

Nie znam najlepszego terminu, który obejmowałby wszystkie różne typy miedzi z obróbką powierzchniową, stąd powyższy nagłówek. Te materiały miedziane są najlepiej znane jako folie z odwróconą obróbką, chociaż dostępne są dwie inne wariacje (patrz poniżej).

Powłoki odwrócone stosowane na foliach wykorzystują obróbkę powierzchni, która jest aplikowana na gładką stronę (stronę bębna) arkusza miedzi elektrolitycznie osadzonej. Warstwa obróbki to tylko cienka powłoka, która celowo chropowaci miedź, aby miała lepszą przyczepność do materiału dielektrycznego. Te obróbki działają również jako bariera oksydacyjna, która zapobiega korozji. Gdy ta miedź jest używana do tworzenia paneli laminowanych, strona obrabiana jest łączona z dielektrykiem, a pozostała chropowata strona pozostaje odsłonięta. Odsłonięta strona nie będzie wymagała dodatkowego chropowacenia przed trawieniem; będzie już miała wystarczającą siłę, aby połączyć się z kolejną warstwą w układzie PCB.

Trzy warianty folii miedzianej z odwróconą obróbką to:

• Folia miedziana o wysokiej temperaturze wydłużenia (HTE): Jest to folia miedziana elektrolitycznie osadzona, która spełnia specyfikacje IPC-4562 Grade 3. Odsłonięta powierzchnia jest również traktowana barierą oksydacyjną, aby zapobiec korozji podczas przechowywania.
• Folia podwójnie traktowana: W tej folii miedzianej obróbka jest stosowana po obu stronach filmu. Ten materiał jest czasami nazywany folią traktowaną po stronie bębna.
• Miedź oporowa: Nie jest to zazwyczaj klasyfikowane jako miedź z powierzchniową obróbką. Ta folia miedziana używa metalicznej powłoki na matowej stronie miedzi, która następnie jest chropowata do pożądanego poziomu.

Aplikacja obróbki powierzchniowej w tych materiałach miedzianych jest prosta: folia jest przetaczana przez dodatkowe łazienki elektrolityczne, które nakładają wtórną powłokę miedzi, następnie warstwę barierową nasion, a na końcu warstwę filmową przeciw matowieniu.

Dzięki tym procesom, otrzymujesz materiał, który może być łatwo używany w standardowym procesie produkcji płytek z minimalną dodatkową obróbką.

Walcowana i wyżarzana miedź

Walcowana i wyżarzana folia miedziana będzie przepuszczona przez parę walców, które zimno-walcują arkusz miedzi do pożądanej grubości. Chropowatość powstałej folii będzie różnić się w zależności od parametrów walcowania (prędkość, ciśnienie itp.). Powstały arkusz może być bardzo gładki, a na powierzchni walcowanej i wyżarzanej folii miedzianej widoczne są smugi. Poniższe obrazy pokazują porównanie między folią miedzianą elektroosadzaną a walcowaną i wyżarzaną.

Miedź o niskim profilu

Nie jest to koniecznie rodzaj folii miedzianej, którą wytworzyłbyś alternatywnym procesem. Miedź o niskim profilu to miedź elektrolityczna, która jest traktowana i modyfikowana procesem mikroszorstkowania, aby zapewnić bardzo niską średnią chropowatość przy jednoczesnym zachowaniu wystarczającej szorstkości dla przyczepności do podłoża. Procesy wytwarzania tych folii miedzianych są zazwyczaj objęte tajemnicą handlową. Te folie często klasyfikuje się jako ultra-niskoprofilowe (ULP), bardzo niskoprofilowe (VLP) oraz po prostu niskoprofilowe (LP, średnia chropowatość około 1 mikrona).

Typy folii miedzianych i chropowatość miedzi w kartach katalogowych

Pod koniec dnia starasz się uzyskać wartość chropowatości, szczególnie dla układu PCB RF. Zestawy materiałów, które stanowią najlepsze opcje dla projektów wysokich częstotliwości, to zazwyczaj ultra-niskoprofilowe lub walcowane, wyżarzane folie miedziane (0,25 do 0,5 mikrona), po których następują niskoprofilowe i odwrócone folie traktowane (około 1 do 1,5 mikrona). Miedź elektrolityczna może mieć bardzo szeroki zakres chropowatości powierzchni (od 1 do 4 mikronów).

Dwa przykłady elektroosadzanych folii miedzianych przedstawiono na poniższych zdjęciach SEM (zdjęcia dzięki uprzejmości Oak-Mitsui Technologies). Na podstawie tego obrazu można by próbować wydobyć wartość chropowatości na podstawie kąta padania wiązki elektronów. Typową metodą pomiaru chropowatości jest użycie profilometru mechanicznego, a dla bardzo niskich chropowatości stosuje się metodę interferometryczną.

Jednak nie można po prostu wybrać dowolnego rodzaju miedzi wraz z określonymi typami laminatów i wartościami materiałów, trzeba pracować w ramach tego, co jest dostępne na rynku. Jednak w aplikacjach wysokich częstotliwości, gdzie chropowatość miedzi jest ważna, dostawcy materiałów dobrze radzą sobie z dostarczaniem informacji o typie i chropowatości folii miedzianych PCB, które używają w swoich materiałach. Spójrz na poniższy przykład z karty danych Rogers 3003/3035. Ta tabela jest bardzo użyteczna, ponieważ kompiluje wszystkie dostępne folie miedziane dla tego zestawu laminatów wysokich częstotliwości w jednym miejscu.

Po wybraniu typu laminatu dla tego systemu materiałowego możesz skontaktować się z dostawcą, aby uzyskać dane dotyczące chropowatości. Powinni być w stanie przesłać Ci tabelę, która zawiera zakres chropowatości dla produktu, którym jesteś zainteresowany, abyś mógł w pełni zakwalifikować go do swojego projektu.

Kolejny przykład można znaleźć dla materiałów AGC Taconic. W poniższym fragmencie wymieniono zarówno typ folii miedzianej, jak i wartość chropowatości folii, zarówno dla stron traktowanych, jak i nieobrobionych. W ich przewodniku wyboru produktów dostępnych jest znacznie więcej danych, które możesz wykorzystać do wyboru odpowiedniego materiału do swojego projektu.

Z tych wartości (lub po wiadomości e-mail do dostawcy laminatu) możesz uzyskać parametry chropowatości, które byłyby potrzebne do modelowania chropowatości folii miedzianej i jej wpływu na impedancję. Stąd możesz uzyskać straty, zaczynając od parametrów ABCD dla linii transmisyjnej z Twoją wartością impedancji, lub obliczając bezpośrednio stałą propagacji. Następnie możesz uzyskać straty i, jeśli chcesz, obliczyć oczekiwaną wartość S21 dla Twojego połączenia. Teraz wiesz już wszystko!

Jedna kwestia, o której nigdy nie widzę dyskusji, to następująca: czy naprawdę musisz rozważać chropowatość folii miedzianej w swoim konkretnym projekcie połączeń? Kiedy możesz zignorować chropowatość i nadal być pewnym, że uzyskasz dokładne wyniki? Omówimy ten aspekt oceny chropowatości miedzi i ustalenia, czy dana wartość jest odpowiednia, w nadchodzącym artykule.

Jeśli chcesz uzyskać dokładne obliczenia impedancji, 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 będzie automatycznie egzekwowany podczas trasowania. Gdy zakończysz pracę nad 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 zaawansowanej elektroniki, można znaleźć w jednym pakiecie oprogramowania.

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