Tipos de Folha de Cobre para PCB em Design de Alta Frequência

A indústria de materiais para PCB tem dedicado uma quantidade significativa de tempo desenvolvendo materiais que proporcionam a menor perda de sinal possível. Para designs de alta velocidade e alta frequência, as perdas limitarão a distância de propagação do sinal e distorcerão os sinais, e isso criará um desvio de impedância que pode ser observado em medições TDR. À medida que projetamos qualquer placa de circuito impresso e desenvolvemos circuitos que operam em frequências mais altas, pode ser tentador optar pelo cobre o mais liso possível em todos os designs que você cria.

Embora seja verdade que a aspereza do cobre cria um desvio de impedância adicional e perdas, quão liso realmente precisa ser o seu cobre? Existem alguns métodos simples que você pode usar para superar as perdas sem selecionar cobre ultra-liso para cada design? Vamos olhar para esses pontos neste artigo, bem como o que você pode procurar se começar a procurar materiais para empilhamento de PCB.

Tipos de Folha de Cobre para PCB

Normalmente, quando falamos sobre cobre em materiais de PCB, não discutimos o tipo específico de cobre, apenas falamos sobre sua aspereza. Diferentes métodos de deposição de cobre produzem filmes com diferentes valores de aspereza, que podem ser claramente distinguidos em uma imagem de microscópio eletrônico de varredura (SEM). Se você vai operar em altas frequências (normalmente WiFi de 5 GHz ou acima) ou em altas velocidades, então preste atenção ao tipo de cobre especificado na ficha técnica do seu material.

Também, certifique-se de entender o significado dos valores de Dk em uma ficha técnica. Assista a esta discussão em podcast com John Coonrod da Rogers para aprender mais sobre as especificações de Dk. Com isso em mente, vamos olhar para alguns dos diferentes tipos de folha de cobre para PCB.

Eletrodepositado

Neste processo, um tambor é girado através de uma solução eletrolítica, e uma reação de eletrodeposição é usada para "crescer" a folha de cobre no tambor. À medida que o tambor gira, o filme de cobre resultante é lentamente enrolado em um rolo, fornecendo uma folha contínua de cobre que pode ser posteriormente enrolada em um laminado. O lado do tambor do cobre essencialmente corresponderá à aspereza do tambor, enquanto o lado exposto será muito mais áspero.

Para ser utilizado em um processo padrão de fabricação de PCB, o lado áspero do cobre será primeiro ligado a um dielétrico de vidro-resina. O cobre exposto restante (lado do tambor) precisará ser intencionalmente asperizado quimicamente (por exemplo, com gravação a plasma) antes que possa ser usado no processo padrão de laminação revestida de cobre. Isso garantirá que ele possa ser ligado à próxima camada na pilha de PCB.

Cobre Eletrodepositado com Tratamento Superficial

Eu não sei o melhor termo que engloba todos os diferentes tipos de folhas de cobre tratadas superficialmente, daí o título acima. Esses materiais de cobre são mais conhecidos como folhas tratadas inversamente, embora duas outras variações estejam disponíveis (veja abaixo).

Folhas tratadas em reverso utilizam um tratamento de superfície que é aplicado ao lado liso (lado do tambor) de uma folha de cobre eletrodepositada. Uma camada de tratamento é apenas um revestimento fino que intencionalmente torna o cobre mais áspero, para que ele tenha maior aderência a um material dielétrico. Esses tratamentos também atuam como uma barreira contra oxidação que previne a corrosão. Quando esse cobre é usado para criar painéis laminados, o lado tratado é unido ao dielétrico, e o lado áspero restante fica exposto. O lado exposto não precisará de nenhum áspero adicional antes da gravação; ele já terá força suficiente para se unir à próxima camada na montagem do PCB.

Três variações de folha de cobre tratada em reverso incluem:

• Folha de cobre com alongamento a alta temperatura (HTE): Esta é uma folha de cobre eletrodepositada que atende às especificações da IPC-4562 Grau 3. A face exposta também é tratada com uma barreira contra oxidação para prevenir a corrosão durante o armazenamento.
• Folha tratada duplamente: Nesta folha de cobre, o tratamento é aplicado em ambos os lados do filme. Este material é às vezes chamado de folha tratada pelo lado do tambor.
• Cobre resistivo: Normalmente, este não é classificado como um cobre tratado superficialmente. Esta folha de cobre utiliza um revestimento metálico sobre o lado fosco do cobre, que é então rugosizado até o nível desejado.

A aplicação de tratamento superficial nestes materiais de cobre é direta: a folha é passada por banhos eletrolíticos adicionais que aplicam uma camada secundária de cobre, seguida por uma camada de semente de barreira, e finalmente uma camada de filme anti-tarnish.

Com esses processos, você tem um material que pode ser facilmente usado no processo padrão de fabricação de placas com processamento adicional mínimo.

Cobre Laminado e Recozido

As folhas de cobre laminado e recozido passarão por um par de rolos, que laminam a folha de cobre a frio até a espessura desejada. A rugosidade da folha resultante variará dependendo dos parâmetros de laminação (velocidade, pressão, etc.). A folha resultante pode ser muito lisa, e estrias são visíveis na superfície da folha de cobre laminado e recozido. As imagens abaixo mostram uma comparação entre uma folha de cobre eletrodepositada e uma folha laminada e recozida.

Cobre de Baixo Perfil

Este não é necessariamente um tipo de folha de cobre com o qual você fabricaria usando um processo alternativo. O cobre de baixo perfil é cobre eletrodepositado que é tratado e modificado com um processo de microasperização para fornecer uma rugosidade média muito baixa com aspereza suficiente para aderência ao substrato. Os processos para fabricação dessas folhas de cobre são normalmente proprietários. Essas folhas são frequentemente categorizadas como de perfil ultra-baixo (ULP), perfil muito baixo (VLP) e simplesmente baixo perfil (LP, aproximadamente 1 micron de rugosidade média).

Tipos de Folha de Cobre e Rugosidade do Cobre em Fichas Técnicas

No final do dia, você está tentando obter um valor de rugosidade, especialmente para um layout de PCB RF. Os conjuntos de materiais que compõem as melhores opções para designs de alta frequência são normalmente folhas de cobre de perfil ultra-baixo ou cobre laminado recozido (0,25 a 0,5 microns), seguidos por cobre de baixo perfil e folhas tratadas inversamente (cerca de 1 a 1,5 microns). O cobre eletrodepositado pode ter uma ampla gama de rugosidades superficiais (de 1 a 4 microns).

Dois exemplos de folhas de cobre eletrodepositadas são mostrados nas imagens SEM abaixo (imagens cortesia de Oak-Mitsui Technologies). A partir desta imagem, poder-se-ia tentar extrair um valor de rugosidade da imagem com base no ângulo de incidência do feixe de elétrons. O método típico para medir a rugosidade é usar um perfilômetro mecânico, e existe um método interferométrico que é usado para filmes de muito baixa rugosidade.

Contudo, você não pode simplesmente escolher qualquer tipo de cobre que desejar ao lado de tipos específicos de laminados e valores de materiais, você tem que trabalhar com o que está disponível no mercado. No entanto, em aplicações de alta frequência onde a rugosidade do cobre é importante, os fornecedores de materiais fizeram um bom trabalho fornecendo informações sobre o tipo e a rugosidade das folhas de cobre de PCB que usam em seus materiais. Veja o exemplo abaixo de uma ficha técnica da Rogers 3003/3035. Esta tabela é muito útil porque compila todas as folhas de cobre disponíveis para este conjunto de laminado de alta frequência em um único local.

Uma vez que você escolha um tipo de laminado para este sistema de material, você pode entrar em contato com o fornecedor para obter dados sobre a rugosidade. Eles devem ser capazes de enviar-lhe uma tabela que lista a faixa de rugosidade para o produto que você está interessado em usar, para que você possa qualificá-lo completamente para o seu design.

Outro exemplo pode ser encontrado para os materiais AGC Taconic. No trecho abaixo, eles listam tanto o tipo de folha de cobre quanto o valor de rugosidade da folha, tanto para os lados tratados quanto para os não tratados. Há muito mais dados disponíveis em seu guia de seleção de produtos que você pode usar para selecionar o material apropriado para o seu design.

A partir desses valores (ou após um e-mail para o fornecedor do laminado), você pode obter os parâmetros de rugosidade que precisaria para modelar a rugosidade da folha de cobre e seus efeitos na impedância. A partir daí, você pode obter as perdas, seja começando pelos parâmetros ABCD para uma linha de transmissão com o seu valor de impedância, ou calculando o constante de propagação diretamente. Então, você pode obter as perdas e, se desejar, calcular o valor esperado de S21 para o seu interconector. Agora você sabe tudo!

Um ponto que nunca vejo ser discutido é o seguinte: você realmente precisa considerar a aspereza da folha de cobre no seu design de interconexão específico? Quando você pode ignorar a aspereza e ainda assim estar seguro de que terá resultados precisos? Discutiremos esse aspecto da avaliação da aspereza do cobre e determinaremos se um valor dado é apropriado em um artigo futuro.

Se você deseja obter cálculos de impedância precisos que incluam valores de aspereza para a folha de cobre do seu PCB, use o solucionador de campo 2D no Gerenciador de Pilha de Camadas no Altium Designer®. O perfil de impedância que você determinar para suas interconexões pode ser facilmente aplicado às suas regras de design e será automaticamente imposto durante o roteamento. Uma vez que você tenha completado seu PCB e estiver pronto para compartilhar seus designs com colaboradores ou seu fabricante, você pode compartilhar seus designs concluídos através da plataforma Altium 365™. Tudo o que você precisa para projetar e produzir eletrônicos avançados pode ser encontrado em um único pacote de software.

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