Типы медной фольги для печатных плат, предназначенных для работы на высоких частотах

Индустрия материалов для печатных плат потратила значительное количество времени на разработку материалов, обеспечивающих минимально возможные потери сигнала. Для конструкций высокой скорости и высокой частоты потери будут ограничивать расстояние распространения сигнала и искажать сигналы, а также создавать отклонение импеданса, которое можно увидеть в измерениях ВРЧ (временной разности распространения). Когда мы разрабатываем любую печатную плату и создаем схемы, работающие на более высоких частотах, может возникнуть соблазн выбрать максимально гладкую медь для всех ваших проектов.

Хотя верно, что шероховатость меди создает дополнительное отклонение импеданса и потери, насколько действительно должна быть гладкой ваша медная фольга? Существуют ли простые методы, которые вы можете использовать для преодоления потерь без выбора ультрагладкой меди для каждого проекта? Мы рассмотрим эти моменты в этой статье, а также на что вы можете обратить внимание, если начнете подбирать материалы для стека печатных плат.

Типы медной фольги для печатных плат

Обычно, когда мы говорим о меди на материалах для печатных плат, мы не уточняем конкретный тип меди, а говорим только о ее шероховатости. Различные методы нанесения меди создают пленки с разными значениями шероховатости, которые можно четко различить на изображении, полученном с помощью сканирующего электронного микроскопа (СЭМ). Если вы собираетесь работать на высоких частотах (обычно 5 ГГц WiFi или выше) или на высоких скоростях, обратите внимание на тип меди, указанный в техническом описании вашего материала.

Также убедитесь, что вы понимаете значение Dk в техническом описании.Посмотрите этот подкаст с участием Джона Кунрода из компании Rogers, чтобы узнать больше о спецификациях Dk. Имея это в виду, давайте рассмотрим некоторые из различных типов медной фольги для печатных плат.

Электроосажденная

В этом процессе барабан вращается в электролитическом растворе, и с помощью реакции электроосаждения медная фольга «растет» на барабане. По мере вращения барабана полученная медная пленка медленно наматывается на ролик, образуя непрерывный лист меди, который затем может быть намотан на ламинат. Сторона меди, прилегающая к барабану, будет иметь шероховатость, соответствующую шероховатости барабана, в то время как обнаженная сторона будет значительно более шероховатой.

Для использования в стандартном процессе изготовления печатных плат шероховатая сторона меди сначала будет соединена с диэлектриком на основе стекловолокна и смолы. Оставшаяся открытая медь (сторона барабана) должна быть намеренно сделана шероховатой химическим путем (например, с помощью плазменного травления), прежде чем она сможет быть использована в стандартном процессе ламинирования медными покрытиями. Это обеспечит ее соединение со следующим слоем в стопке печатной платы.

Поверхностно-Обработанная Электролитическая Медь

Я не знаю лучшего термина, который охватывал бы все различные типы поверхностно-обработанных медных фольг, поэтому выбран вышеуказанный заголовок. Эти медные материалы наиболее известны как фольги с обратной обработкой, хотя доступны еще два других варианта (см. ниже).

Обратно обработанные фольги используют поверхностную обработку, которая применяется к гладкой стороне (стороне барабана) листа меди, полученной электролитическим осаждением. Слой обработки представляет собой всего лишь тонкое покрытие, которое намеренно увеличивает шероховатость меди, чтобы она лучше сцеплялась с диэлектрическим материалом. Эти обработки также действуют как барьер против окисления, предотвращающий коррозию. Когда эта медь используется для создания ламинированных панелей, обработанная сторона соединяется с диэлектриком, а оставшаяся шероховатая сторона остается открытой. Открытая сторона не требует дополнительного увеличения шероховатости перед травлением; она уже имеет достаточную прочность для соединения со следующим слоем в многослойной структуре печатной платы.

Три варианта обратно обработанной медной фольги включают:

• Медная фольга с высокой температурной деформацией (HTE): Это электролитически осажденная медная фольга, соответствующая спецификациям IPC-4562 класса 3. Обрабатываемая поверхность также покрывается барьером против окисления для предотвращения коррозии во время хранения.
• Дважды обработанная фольга: В этой медной фольге обработка применяется к обеим сторонам пленки. Этот материал иногда называют фольгой с обработкой со стороны барабана.
• Резистивная медь: Обычно это не классифицируется как медь с обработанной поверхностью. Эта медная фольга использует металлическое покрытие на матовой стороне меди, которое затем шероховатится до желаемого уровня.

Применение обработки поверхности в этих медных материалах простое: фольга прокатывается через дополнительные электролитные ванны, которые наносят вторичное медное покрытие, за ним следует барьерный слой-основа, и, наконец, пленочный слой против потускнения.

С этими процессами у вас есть материал, который может быть легко использован в стандартном процессе изготовления плат с минимальной дополнительной обработкой.

Прокатанная отожженная медь

Прокатанная отожженная медная фольга будет пропущена через пару валков, которые холодной прокаткой приведут медный лист к желаемой толщине. Шероховатость полученного листа фольги будет варьироваться в зависимости от параметров прокатки (скорость, давление и т. д.). Полученный лист может быть очень гладким, и на поверхности прокатанного отожженного листа меди видны полосы. Ниже приведены изображения, показывающие сравнение между электролитически осажденной медной фольгой и прокатанной отожженной фольгой.

Медь с низким профилем

Это не обязательно тип медной фольги, с которой вы бы работали, используя альтернативный процесс. Медь с низким профилем - это электроосажденная медь, которая обрабатывается и модифицируется с использованием процесса микрошероховатости для обеспечения очень низкой средней шероховатости с достаточной шероховатостью для адгезии к подложке. Процессы изготовления этих медных фольг обычно являются собственностью. Эти фольги часто классифицируются как ультранизкопрофильные (ULP), очень низкопрофильные (VLP) и просто низкопрофильные (LP, примерно 1 микрон средней шероховатости).

Типы медной фольги и шероховатость меди в технических описаниях

В конце концов, вы пытаетесь получить значение шероховатости, особенно для макета РЧ печатной платы. Наборы материалов, которые являются лучшими вариантами для конструкций высокой частоты, обычно представляют собой ультранизкопрофильные или прокатанные отожженные медные фольги (0,25 до 0,5 микрон), за которыми следуют низкопрофильные и обработанные в обратном порядке фольги (около 1 до 1,5 микрон). Электроосажденная медь может иметь очень широкий диапазон шероховатостей поверхности (от 1 до 4 микрон).

Ниже представлены два примера электроосажденных медных фольг, показанных на СЭМ-изображениях (изображения предоставлены Oak-Mitsui Technologies). Исходя из этого изображения, можно попытаться извлечь значение шероховатости на основе угла падения электронного луча. Типичный метод измерения шероховатости заключается в использовании механического профилометра, а для очень гладких пленок используется интерферометрический метод.

Однако вы не можете просто выбрать любой тип меди вместе с конкретными типами ламината и значениями материалов, вы должны работать с тем, что доступно на рынке. Тем не менее, в приложениях высокой частоты, где важна шероховатость меди, поставщики материалов хорошо справляются с предоставлением информации о типе и шероховатости медных фольг, которые они используют в своих материалах. Посмотрите на пример ниже из технического описания Rogers 3003/3035. Эта таблица очень полезна, потому что она собирает всю доступную медную фольгу для этого набора ламината высокой частоты в одном месте.

После выбора типа ламината для этой системы материалов вы можете связаться с поставщиком, чтобы получить данные о шероховатости. Они должны быть в состоянии отправить вам таблицу, которая указывает диапазон шероховатости для продукта, который вас интересует, чтобы вы могли полностью квалифицировать его для вашего дизайна.

Еще один пример можно найти для материалов AGC Taconic. В приведенном ниже отрывке они указывают как тип медной фольги, так и значение шероховатости фольги, как для обработанных, так и для необработанных сторон. В их руководстве по выбору продукции доступно гораздо больше данных, которые вы можете использовать для выбора подходящего материала для вашего дизайна.

Используя эти значения (или после отправки электронного письма поставщику ламината), вы можете получить параметры шероховатости, которые вам понадобятся для моделирования шероховатости медной фольги и ее влияния на импеданс. Оттуда вы можете получить потери, начиная с параметров ABCD для линии передачи с вашим значением импеданса, или рассчитав константу распространения напрямую. Затем вы можете получить потери и, если хотите, рассчитать ожидаемое значение S21 для вашего соединения. Теперь вы знаете все!

Одна тема, которую я никогда не вижу обсуждаемой, следующая: действительно ли вам нужно учитывать шероховатость медной фольги в вашем конкретном дизайне соединений? Когда можно игнорировать шероховатость и все же быть уверенным, что результаты будут точными? Мы обсудим этот аспект оценки шероховатости меди и определения, является ли данное значение подходящим, в предстоящей статье.

Если вы хотите получить точные расчеты импеданса, которые включают значения шероховатости для вашей медной фольги на ПП, используйте 2D-решатель поля 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 ПП 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 начали раскрывать возможности использования Altium Designer на Altium 365. Начните вашу бесплатную пробную версию Altium Designer + Altium 365 сегодня.