Сколько шероховатости поверхности меди на печатной плате считается слишком большим?

Когда мы говорим о шероховатости меди, мы всегда упоминаем это, как о чем-то безусловно плохом. На самом деле, некоторые схемы будут работать вполне нормально, даже если медь шероховата. До тех пор, пока ваши дорожки изготовлены в соответствии со всеми другими спецификациями, шероховатость дорожек может не иметь значения, если ваша рабочая частота или полоса пропускания достаточно низкие. Что же считается "достаточно низким", и когда эффект шероховатости настолько мал, что его можно игнорировать?

В недавней статье о медных фольгах я предоставил некоторую информацию о различных типах медных фольг и ожидаемых диапазонах значений шероховатости, которые вы можете встретить. Когда вы начинаете искать материалы для создания вашего высокочастотного дизайна, стоит определить, будет ли фактор шероховатости влиять на импеданс и потери в такой степени, что это станет чрезмерным. В этой статье я покажу три стратегии, которые вы можете использовать, чтобы определить, следует ли минимизировать шероховатость в вашем дизайне. Это включает в себя анализ данных или выполнение нескольких простых расчетов для определения шероховатости.

Когда следует беспокоиться о шероховатости медной фольги?

Это важный вопрос, и к нему можно подойти как минимум с двух сторон. Как только вы скажете дизайнеру: «Эй, тебе нужно учесть шероховатость меди в расчете импеданса», они, вероятно, захотят выбросить свой калькулятор импеданса и отказаться от попыток получить точные прогнозы импеданса.

На самом деле шероховатость меди не окажет заметного влияния ниже определенных частот. Если вы работаете со стандартными цифровыми шинами низкой скорости (I2C, SPI, UART или просто переключаете ваши GPIO), тогда вам не нужно беспокоиться о шероховатости меди по двум причинам:

1. Эти шины не имеют спецификации импеданса и, следовательно, не требуют контролируемой трассировки импеданса
2. Большая часть полосы пропускания этих сигналов находится значительно ниже частот, на которых шероховатость меди становится важным фактором, влияющим на вашу разработку.

Однако, если вы разрабатываете с использованием новейших версий общих цифровых протоколов, WiFi 5 ГГц, печатных плат RF с низким SNR, радиолокационных систем или ультрабыстрых цифровых протоколов (56G+ SerDes), тогда шероховатость меди определенно будет иметь значение, и ее следует учитывать при выборе материалов.

Не обобщая слишком сильно, существует два способа подхода к проблеме и определения, будет ли шероховатость меди иметь значение для вашей разработки:

1. Рассчитайте спектры импеданса для грубых и гладких соединений и сравните
2. Изучите показатели потерь на вставке для различных значений шероховатости меди
3. Используйте результаты из пункта #1 для получения постоянной распространения и сравните потери в зависимости от параметров шероховатости

Опция #1 - это первое, что вы бы сделали для получения прогноза S11 для вашего соединения. Опции #2 и #3 по сути одинаковы, если подумать… вы просто сравниваете измерения и расчеты S21. Здесь идея заключается в том, чтобы увидеть, когда различные типы медной фольги для печатных плат вызывают чрезмерные потери по сравнению с почти идеальной медью, и каковы эти потери.

Опция #1

Тип калькулятора импеданса, который вы найдете в программном обеспечении для проектирования печатных плат, отлично подходит для получения довольно точной оценки влияния шероховатости импеданса, при условии, что у вас есть доступ к параметрам шероховатости для ваших материалов.

• Читайте больше о использовании параметров шероховатости в этой статье.

Предполагая, что вы можете получить данные о шероховатости, будь то непосредственное измерение профиля поверхности или изображения с микроскопа, как показано выше, вы можете использовать эти данные для расчета импеданса с шероховатостью и без нее.

В качестве примера рассмотрим результаты для симметричной полосковой линии, представленные ниже. Результаты для грубой и гладкой поверхности были смоделированы с четырехмиллиметровыми диэлектрическими слоями, неизменным Dk = 4.17 без диэлектрической дисперсии, и результаты импеданса для грубой поверхности с двумя моделями (Hammerstad и Cannonball-Huray). Ширина нашей полосковой линии составила W = 3.008 мил, что немного мало.

Если мы игнорируем шероховатость, импеданс будет переоценен примерно на 5%! Мы также видим, что отклонение в действительной части импеданса, где начинают возникать все потери, только увеличивается… Это происходит потому, что мы полностью игнорировали, как шероховатость изменяет Dk, заставляя его казаться больше номинального (разработанного) значения.

Это один из случаев, когда ясно, что использование ламината с более низким Dk важно. Это потребует от вас использования более широкого следа, чтобы вы могли уложиться в стандартные возможности производства. Побочным преимуществом будет, вероятно, снижение потерь в этой ситуации.

Варианты №2 и №3

Вариант №2 довольно прост, если у вас есть некоторые данные S21 для вашего материала. Осматривая данные о диэлектрических потерях (предполагая, что это наиболее важный фактор на электрически длинных соединениях), вы можете примерно оценить, при каких частотах потери из-за шероховатости меди будут такими же. Как пример, ниже приведены некоторые данные от Rogers для медной фольги ½ унции/кв. фут на ламинате из жидкокристаллического полимера (LCP) толщиной 4 мил (см. здесь оригинальные данные).

Исходя из приведенного выше графика, различия между этими кривыми незначительны на частотах ниже примерно 2 ГГц, но мы видим, что кривые потерь на вставке для разной шероховатости меди очень различаются на высоких частотах. Если вы работаете на высоких частотах, и потери являются важным фактором, вы могли бы сравнить это с затратами для вашего конкретного ламината. В качестве альтернативы, если у вашего поставщика ламината был доступен только один класс шероховатой меди, вы могли бы искать альтернативный ламинат с меньшими диэлектрическими потерями.

Пока вы можете получить данные о потерях на вставке от других поставщиков материалов, вы можете сделать аналогичные сравнения. Однако, когда эти данные непосредственно недоступны, вам нужно будет использовать их значения шероховатости и значения тангенса угла потерь для различных вариантов материалов, чтобы оценить потери на вставке на вашей рабочей частоте. Вы действительно можете рассчитать это напрямую, следуя следующему процессу:

1. Рассчитайте безпотерьный импеданс для вашего соединения, используя гладкую диэлектрическую постоянную (см. здесь формулу диэлектрической постоянной)
2. Рассчитайте потерьный импеданс с вашей моделью шероховатости из безпотерьного импеданса
3. Рассчитайте постоянную распространения
4. Используйте результат из пункта #3 для расчета потерь на вставке с помощью стандартной формулы перехода от параметров ABCD к S-параметрам

Чтобы упростить задачу и исключить необходимость выполнения преобразования из безпотерьного в потерьный импеданс, вы можете использовать простое приближение, которое действительно на низких частотах, чтобы оценить, когда потери проводника становятся чрезмерными. Общие потери (в данном случае S21) и соответствующие уравнения, которые вам понадобятся, следующие:

В этом приближении используется безубыточное характеристическое сопротивление Z0 для оценки потерь в проводнике с учетом и без учета шероховатости. Обратите внимание, что, согласно этому приближению, утверждается, что диэлектрические потери не изменяются в зависимости от параметров шероховатости. На самом деле это не совсем так, поскольку, как можно увидеть в статье, на которую я ссылался выше, диэлектрическая проницаемость (включая мнимую часть диэлектрической проницаемости) может увеличиваться, если шероховатость увеличивается.

Для наших целей мы сосредоточимся только на потерях в проводнике из чистой меди. Если вы используете значение сопротивления кожи (Rs), указанное выше, и постоянное сопротивление, вам просто нужно значение коэффициента коррекции шероховатости K для получения потерь в проводнике. Для гладкой линии мы всегда имеем K = 1, в то время как для шероховатой линии вам нужно будет рассчитать K, используя стандартную модель шероховатости. Ниже,

я предоставил некоторые результаты из двух моделей для сравнения (Hammerstad и Cannonball Huray, толщина диэлектрика 4.12 mil, неизменная Dk = 4.17/Df = 0.014 для гладкой меди). Диэлектрические потери рассчитываются с применением коррекции шероховатости к диэлектрической проницаемости, что приведет к увеличению диэлектрических потерь.

Увеличение потерь на высоких частотах заметно, хотя диэлектрические потери на частоте 10 ГГц превышают потери в проводнике почти вдвое. Помните, что ваше сопротивление постоянному току и сопротивление кожи выше указаны на единицу длины. Следовательно, какую бы единицу измерения длины вы ни использовали для получения этих значений, та же единица будет использоваться в значении дБ/длина, полученном из расчета.

Заключительные мысли

Реальность часто гораздо сложнее, чем мы предполагаем в теоретических моделях, и в конечном итоге относительно сложная геометрическая модель, такая как Cannonball-Huray (или любая другая модель шероховатости), будет отклоняться от реальности. Если вам нужно провести более детальное моделирование поведения межсоединений на высоких частотах и вам нужны очень точные значения коэффициента коррекции шероховатости или измерения шероховатости, тогда вам следует получить эти измерения и использовать их в ваших проектах межсоединений.

Одна важная мысль здесь заключается в том, что вам может не понадобиться иметь идеально гладкую медь на каждом слое. Например, вы можете разработать гибридную структуру, которая поддерживает маршрутизацию высокоскоростных/высокочастотных сигналов на одном слое с гладкой медью. Все остальные слои могут иметь шероховатую медь, но если эти слои поддерживают только сигналы низкой скорости или низкие частоты, то шероховатость меди на этих слоях не будет иметь значения. Не стоит переусердствовать с проектированием платы, если это не требуется.

Если вы хотите получить точные расчеты характеристического импеданса, которые включают значения шероховатости для вашей медной фольги ПП, используйте 2D полевой решатель в Менеджере Стека Слоев в Altium Designer®. Профиль импеданса, который вы определите для ваших соединений, может быть легко применен к вашим правилам проектирования и будет автоматически соблюдаться во время трассировки. Как только вы завершите вашу печатную плату и будете готовы поделиться вашими проектами с коллегами или вашим производителем, вы можете поделиться вашими завершенными проектами через платформу Altium 365™. Все, что вам нужно для проектирования и производства передовой электроники, можно найти в одном программном пакете.

Мы только коснулись поверхности того, что возможно сделать с Altium Designer на Altium 365. Начните вашу бесплатную пробную версию Altium Designer + Altium 365 сегодня.