Как вес меди влияет на целостность сигнала в UHDI-печатных платах?

В видео и статьях я уже рассказывал о причинах, по которым для меньшей ширины проводников и меньших зазоров требуется меньшая толщина меди. Основная причина в том, что производители не могут вытравить медь до очень малой ширины дорожек и расстояний между ними, например до значений 2 mil/50 микрон, когда исходная медная фольга по толщине становится сопоставима с шириной медного проводника. По этой причине самые малые ширины и зазоры, используемые в HDI-печатных платах, обычно дают дорожки с соотношением сторон, более близким к квадратному, а не к широкому трапециевидному. Особенно это характерно для слоев stripline.

Если более тонкие медные пленки соответствуют более тонким проводникам, что происходит с импедансом линии? И в частности, как будет изменяться импеданс линии при заданном изменении толщины меди? Это важные вопросы, поскольку они влияют на величину допуска, который можно принять при моделировании линии передачи, антенны, печатной RF-цепи или любой другой схемы, где медь должна обеспечивать контроль импеданса. В этой статье я рассмотрю эти моменты, а также покажу данные по изменениям импеданса линии при реальных отклонениях толщины медной пленки.

Как выглядит медь в UHDI

Как уже упоминалось выше, медные дорожки в конструкции UHDI имеют поперечное сечение, гораздо более близкое к квадратному, чем к типичному прямоугольному или трапециевидному. За формирование трапециевидного сечения отвечает субтрактивное травление, поскольку травитель продолжает разъедать открытую поверхность медной фольги. По мере уменьшения толщины меди время травления сокращается, что уменьшает коэффициент травления дорожки и делает ее форму более квадратной.

Типичная граница между HDI и UHDI проходит там, где требуется применять аддитивные процессы; SAP or mSAP необходимы для изготовления проводников шириной менее 50 микрон, используемых в UHDI-конструкциях. При аддитивном процессе травления нет, и осажденная медь имеет гораздо более квадратную форму, чем вытравленная. На изображении ниже показан пример дорожек, сформированных аддитивным осаждением на пленке Ajinomoto buildup film (ABF) в виде stripline. Дорожки осаждаются на ABF, а затем покрываются связующим слоем для формирования stripline.

Величина вариации в этих дорожках совсем невелика — всего несколько микрон по дорожкам, показанным на левом изображении. Сравните это с размерами поперечного сечения, которые составляют примерно 40 микрон по горизонтали и вертикали. Сравните эту вариацию с типичной вытравленной дорожкой, где одна только шероховатость может давать несколько микрон, а однородность кромок и плоскостность фольги могут вносить сопоставимый разброс.

С точки зрения целостности сигнала это поднимает два важных вопроса:

1. Как вариации толщины меди влияют на импеданс?
2. Как эти эффекты соотносятся при стандартных значениях толщины меди и при толщине пленки в UHDI?

Изучение влияния на импеданс при большой и малой толщине меди

Сначала рассмотрим, что происходит в типовых стандартных конструкциях печатных плат. Базовая толщина меди обычно составляет 0,5 oz на квадратный фут для исходной фольги, а внешние слои наращиваются гальванически примерно до 1,0 oz на квадратный фут, чтобы сформировать металлизацию сквозных переходных отверстий.

В HDI-конструкции, изготовленной методом субтрактивного травления, базовая толщина меди может начинаться с 0,25 oz на квадратный фут, чтобы обеспечить меньшую ширину проводников и зазоры. Затем отверстия могут металлизироваться выборочно, чтобы необходимая толщина не нарушалась при формировании microvia, а внешние слои могут доводиться до значений от 0,5 oz до 1,0 oz на квадратный фут. В UHDI-печатных платах, изготовленных аддитивным способом, толщина меди может быть всего 1/8 oz на квадратный фут.

Мы можем использовать Layer Stack Manager in Altium Designer, чтобы рассчитать изменения импеданса при варьировании толщины меди вблизи этих значений при сохранении той же ширины дорожки. Это позволяет получить кривую, показывающую, как меняется импеданс при изменении толщины меди из-за естественных вариаций процесса.

Результаты

После выполнения нескольких моделирований с постоянной шириной дорожки и изменяющейся толщиной меди были получены приведенные ниже кривые для stripline и microstrip, рассчитанные на целевой импеданс 50 Ом. Эти кривые показывают общее снижение импеданса при небольшом увеличении толщины меди, что соответствует нашей интуиции относительно импеданса дорожки. Однако интерполированные данные и их производная указывают на то, что изменения импеданса дорожки становятся больше, когда исходная толщина медной пленки меньше.

Теперь сравните эти изменения толщины на графике выше с изменениями толщины, видимыми на SEM-изображении stripline на ABF. Уже только из-за вариации в несколько микрон в процессе аддитивного осаждения можно ожидать изменение импеданса дорожки на 1,5–2 Ом для 50-омной stripline. Если для импеданса дорожки задан стандартный допуск 10%, это означает, что около 30–40% допустимого запаса уже «съедается» вариациями технологического процесса.

А как насчет платы, изготовленной субтрактивным травлением? Та же вариация (несколько микрон) типична и для шероховатой меди в stripline. Графики показывают меньшую вариацию импеданса (примерно на 50% меньше). Однако здесь влияние важнее с точки зрения потерь из-за усиления скин-эффекта, который сам по себе вызывает собственную вариацию импеданса на высоких частотах.

Что все это означает для целостности сигнала

Приведенный выше результат для UHDI-платы, изготовленной аддитивным способом, означает, что в реальности ваша изготовленная печатная плата имеет допуск по импедансу лишь 6–7%, а не 10%.

Несколько процентных пунктов могут показаться незначительными, но как это влияет на целостность сигнала? По сути, это требует увеличить допустимый запас, который вы готовы принять на графике S-параметров при определении полосы пропускания канала. Существует de facto -10 dB S11 limit, выше которого обычно считается, что импеданс слишком сильно отклоняется от целевого значения. Это потребует заложить дополнительный запас, возможно установив максимальное значение потерь вплоть до -15 dB, чтобы обеспечить достаточный резерв.

В высокоскоростных последовательных каналах с большой полосой пропускания или в плотных параллельных каналах с сильным перекрестным влиянием важен каждый небольшой запас по шуму, и именно здесь потери проявляются в измерениях или при моделировании глазковой диаграммы. Пока еще нет достаточного количества подходов к проектированию, которые позволяли бы учитывать этот разброс, кроме анализа потенциального диапазона вариаций S-параметров, который можно смоделировать или измерить на тестовых купонах.

Независимо от того, нужно ли вам создавать надежную силовую электронику или передовые цифровые системы, используйте полный набор функций для проектирования печатных плат и CAD-инструменты мирового класса от Altium. Altium предоставляет ведущую в мире платформу для разработки электронных продуктов, включающую лучшие в отрасли инструменты проектирования печатных плат и средства междисциплинарного взаимодействия для передовых команд разработчиков. Свяжитесь со специалистом Altium уже сегодня!