Como o peso do cobre afeta a integridade do sinal em PCBs UHDI?

Já falei em vídeos e artigos sobre os motivos pelos quais larguras de linha menores e espaçamentos menores exigem menor peso de cobre. O principal motivo é que os fabricantes não conseguem atacar o cobre quimicamente até larguras e espaçamentos de trilha muito pequenos, como valores de 2 mil/50 mícrons, quando a folha base de cobre passa a ter dimensão semelhante à largura da trilha de cobre. Por isso, as menores larguras de linha e espaçamentos usados em PCBs HDI tendem a apresentar trilhas com uma proporção mais próxima de uma seção quadrada do que de um trapézio largo. Isso é especialmente verdadeiro nas camadas stripline.

Com filmes de cobre mais finos correspondendo a larguras de linha menores, o que acontece com a impedância da linha? E, em particular, como a impedância da linha varia para uma determinada variação na espessura do cobre? Essas são perguntas importantes porque influenciam a margem que você pode aceitar em uma simulação de uma linha de transmissão, antena, circuito RF impresso ou qualquer outro circuito que exija que o cobre mantenha o controle de impedância. Vou examinar esses pontos neste artigo, além de mostrar alguns dados sobre variações de impedância de linha considerando variações reais na espessura do filme de cobre.

Como o Cobre se Apresenta em UHDI

Como mencionado acima, as trilhas de cobre em um projeto UHDI têm uma seção transversal mais próxima de um quadrado do que da seção transversal retangular ou trapezoidal típica. O ataque químico subtrativo é o responsável por criar a seção transversal trapezoidal, porque o agente de ataque continua removendo material da superfície exposta da folha de cobre. À medida que o peso do cobre diminui, o tempo de ataque também é menor, e isso reduz o fator de corrosão em uma trilha, fazendo com que ela pareça mais quadrada.

A linha divisória típica entre HDI e UHDI é o ponto em que precisamos usar processos aditivos; SAP ou mSAP são necessários para fabricar larguras de linha abaixo de 50 mícrons usadas em projetos UHDI. Com um processo aditivo, não há ataque químico, e o cobre depositado terá aparência muito mais quadrada do que o cobre atacado. A imagem abaixo mostra um exemplo de trilhas depositadas aditivamente sobre filme buildup Ajinomoto (ABF) como striplines. As trilhas são depositadas sobre o ABF e depois cobertas com uma camada de ligação para formar as striplines.

A quantidade de variação nessas trilhas é bastante pequena, de apenas alguns mícrons ao longo das trilhas mostradas na imagem à esquerda. Compare isso com as dimensões da seção transversal, que são de aproximadamente 40 mícrons na horizontal e na vertical. Compare essa variação com a de uma trilha atacada típica, em que somente a rugosidade já pode representar alguns mícrons, e a uniformidade das bordas e a planaridade da folha podem produzir variação semelhante.

No que diz respeito à integridade de sinal, isso levanta duas questões importantes:

1. Como as variações na espessura do cobre impactam a impedância?
2. Como esses impactos se comparam entre valores padrão de peso de cobre e espessuras de filme em UHDI?

Estudando o Impacto na Impedância em Pesos de Cobre Altos e Baixos

Primeiro, vamos considerar o que acontece em empilhamentos típicos de PCB padrão. O peso base de cobre é normalmente de 0,5 oz por pé quadrado de folha base, e as camadas externas são metalizadas até aproximadamente 1,0 oz por pé quadrado de espessura de cobre para permitir a fabricação das vias de furo passante.

Em um projeto HDI produzido com ataque químico subtrativo, o peso base de cobre pode começar em 0,25 oz por pé quadrado para permitir larguras de linha e espaçamentos menores. Depois, os furos podem ser metalizados seletivamente para que o peso adequado não seja afetado durante a fabricação das microvias, e as camadas externas podem ser ajustadas para algo entre 0,5 oz por pé quadrado e 1,0 oz por pé quadrado. Em PCBs UHDI fabricadas por processo aditivo, o peso do cobre pode ser tão baixo quanto 1/8 oz por pé quadrado.

Podemos usar o Layer Stack Manager in Altium Designer para calcular mudanças na impedância variando o peso do cobre em torno desses valores, mantendo a mesma largura de trilha. Isso nos permite extrair uma curva mostrando as mudanças de impedância à medida que o peso do cobre varia devido a variações naturais do processo.

Resultados

Depois de executar várias simulações mantendo a largura da trilha constante e alterando o peso do cobre, foram extraídas as curvas mostradas abaixo para striplines e microstrips com alvo de impedância de 50 Ohms. Essas curvas mostram uma inclinação geral descendente na impedância à medida que o cobre aumenta ligeiramente, o que está de acordo com nossa intuição sobre a impedância da trilha. No entanto, os dados interpolados e sua derivada indicam que as mudanças na impedância da trilha são maiores quando a espessura inicial do filme de cobre é menor.

Agora compare essas mudanças de espessura no gráfico acima com as mudanças de espessura vistas na imagem de SEM das striplines sobre ABF. Apenas por causa de alguns mícrons de variação no processo de deposição aditiva, poderíamos esperar uma variação de 1,5–2 Ohms na impedância da trilha para uma stripline de 50 Ohms. Se você tiver um valor padrão de tolerância de 10% para a impedância da trilha, isso equivale a cerca de 30–40% da sua margem permitida já consumida por variações de processo.

E quanto a uma placa atacada por processo subtrativo? A mesma variação (alguns mícrons) é típica do que veríamos no cobre rugosificado para striplines. Os gráficos mostram uma variação menor de impedância (cerca de 50% menor). No entanto, aqui o impacto é mais importante em termos de perda por aumento do efeito pelicular, que produz sua própria variação de impedância em altas frequências.

O que Tudo Isso Significa para a Integridade de Sinal

O resultado acima para a placa UHDI fabricada por processo aditivo significa que, na prática, sua PCB fabricada só tem uma tolerância de impedância disponível de 6–7%, e não 10%.

Alguns pontos percentuais podem parecer pouco, então como isso afeta a integridade de sinal? Essencialmente, isso exige que você aumente a margem permitida que aceitaria em um gráfico de parâmetros S ao determinar a largura de banda do canal. Existe um de facto -10 dB S11 limit acima do qual geralmente consideramos que a impedância está muito distante do valor desejado. Isso exigirá que você aplique margem adicional, possivelmente definindo o valor máximo de perda para algo tão baixo quanto -15 dB para garantir margem suficiente.

Em canais seriais de alta largura de banda ou em canais paralelos densos que sofrem muito diafonia, cada pequena parcela de margem de ruído importa, e é aí que as perdas são observadas em uma medição ou em uma simulação de diagrama de olho. Ainda não existem abordagens de projeto suficientes para considerar essa variação além de analisar a faixa potencial de variação nos parâmetros S, que pode ser simulada ou medida em cupons de teste.

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