Bề mặt đồng của PCB nhám đến mức nào là quá nhiều?

Khi chúng ta nói về độ nhám của đồng, chúng ta luôn đề cập đến nó như thể đó là một điều xấu một cách toàn diện. Sự thật là, một số mạch sẽ luôn hoạt động tốt ngay cả khi đồng có độ nhám. Miễn là các đường dẫn của bạn được sản xuất theo đúng thông số kỹ thuật ở mọi lĩnh vực khác, độ nhám của các đường dẫn có thể không quan trọng miễn là tần số hoạt động hoặc băng thông của bạn đủ thấp. Vậy điều gì được coi là “đủ thấp” và khi nào thì ảnh hưởng của độ nhám nhỏ đến mức chúng ta có thể bỏ qua?

Trong một bài viết gần đây về tấm đồng, tôi đã cung cấp một số thông tin nền về các loại tấm đồng khác nhau và một số phạm vi giá trị độ nhám bạn có thể mong đợi từ những tấm này. Khi bạn bắt đầu tìm kiếm vật liệu để xây dựng thiết kế tần số cao của mình, đáng giá để xác định xem yếu tố độ nhám có ảnh hưởng đến trở kháng và tổn thất đến mức quá mức hay không. Trong bài viết này, tôi sẽ chỉ ra ba chiến lược bạn có thể sử dụng để xác định liệu độ nhám có nên được giảm thiểu trong thiết kế của bạn hay không. Điều này bao gồm việc xem xét dữ liệu, hoặc thực hiện một vài phép tính đơn giản để xác định độ nhám.

Khi nào Bạn Nên Lo Lắng Về Độ Nhám của Tấm Đồng?

Đây là một câu hỏi quan trọng và có thể được tiếp cận từ ít nhất hai góc độ. Ngay khi bạn nói với một nhà thiết kế “Này, bạn cần phải tính toán độ nhám của đồng trong tính toán trở kháng của mình,” họ có lẽ muốn vứt bỏ máy tính trở kháng của mình và từ bỏ việc đạt được dự đoán trở kháng chính xác.

Thực tế là độ nhám của đồng sẽ không tạo ra hiệu ứng đáng chú ý dưới một số tần số nhất định. Nếu bạn đang hoạt động với các bus kỹ thuật số tốc độ thấp tiêu chuẩn (I2C, SPI, UART, hoặc chỉ đơn giản là chuyển đổi các GPIO của bạn), thì bạn sẽ không cần phải lo lắng về độ nhám của đồng vì hai lý do:

1. Những bus này không có thông số trở kháng và do đó không yêu cầu định tuyến trở kháng kiểm soát
2. Hầu hết dải tần của các tín hiệu này được giới hạn tốt dưới các tần số mà độ nhám của đồng trở thành một yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến thiết kế của bạn.

Tuy nhiên, nếu bạn đang thiết kế với phiên bản mới nhất của các giao thức kỹ thuật số phổ biến, WiFi 5 GHz, mạch in RF có SNR thấp, hệ thống radar, hoặc các giao thức kỹ thuật số cực nhanh (56G+ SerDes), thì độ nhám của đồng chắc chắn sẽ quan trọng và nó nên được xem xét khi lựa chọn vật liệu.

Không nói quá chung chung, có hai cách để tiếp cận vấn đề và xác định liệu độ nhám của đồng có quan trọng trong thiết kế của bạn hay không:

1. Tính toán phổ trở kháng gồ ghề và mịn cho các kết nối đề xuất của bạn và so sánh
2. Xem xét các phép đo mất mát chèn cho các giá trị độ nhám đồng khác nhau
3. Sử dụng kết quả ở #1 để có được hằng số truyền và so sánh mất mát dưới dạng một hàm của các tham số độ nhám

Lựa chọn #1 là điều đầu tiên bạn sẽ làm để đưa ra dự đoán S11 cho kết nối của mình. Lựa chọn #2 và #3 cơ bản là giống nhau nếu bạn suy nghĩ về nó… bạn chỉ đang so sánh các phép đo và tính toán S21. Ý tưởng ở đây là để xem khi nào các loại lá đồng PCB khác nhau sản sinh mất mát quá mức so với đồng gần như hoàn hảo, và mất mát đó là bao nhiêu.

Lựa chọn #1

Loại máy tính trở kháng bạn sẽ tìm thấy trong phần mềm thiết kế PCB của mình rất tốt để có được ước lượng khá chính xác về ảnh hưởng của trở kháng gồ ghề miễn là bạn có quyền truy cập vào các tham số độ nhám cho bộ vật liệu của mình.

• Đọc thêm về việc sử dụng các tham số độ nhám trong bài viết này.

Giả sử bạn có thể lấy được dữ liệu độ nhám, hoặc từ việc đo trực tiếp hồ sơ bề mặt hoặc từ hình ảnh kính hiển vi như những hình ảnh được hiển thị ở trên, bạn có thể sử dụng điều này để tính toán trở kháng với và không có độ nhám.

Chỉ cần lấy một ví dụ, hãy xem kết quả của dải đối xứng được hiển thị bên dưới. Kết quả gồ ghề và mịn được mô phỏng với các lớp điện môi 4 mil, Dk không thay đổi = 4.17 không có sự phân tán điện môi, và kết quả trở kháng gồ ghề với hai mô hình (Hammerstad và Cannonball-Huray). Chiều rộng dải của chúng tôi đạt W = 3.008 mils, đây là một kích thước hơi nhỏ.

Nếu chúng ta bỏ qua độ gồ ghề, trở kháng sẽ được ước lượng cao hơn khoảng 5%! Chúng ta cũng thấy rằng sự lệch lạc trong phần thực của trở kháng, nơi tất cả các tổn thất bắt đầu xuất hiện, chỉ tiếp tục tăng lên… Điều này là do chúng ta hoàn toàn bỏ qua cách độ gồ ghề thay đổi Dk, khiến nó xuất hiện lớn hơn giá trị danh nghĩa (được kỹ thuật hóa).

Đây là một trường hợp rõ ràng mà việc sử dụng một lớp laminate Dk thấp hơn là quan trọng. Điều này sẽ yêu cầu bạn sử dụng một dấu vết rộng hơn để bạn có thể nằm trong khả năng sản xuất tiêu chuẩn. Lợi ích phụ là bạn có thể sẽ thấy tổn thất thấp hơn trong tình huống đó.

Lựa chọn #2 và #3

Lựa chọn #2 khá đơn giản miễn là bạn có một số dữ liệu S21 cho bộ vật liệu của mình. Bằng cách xem xét dữ liệu mất mát điện mô (giả sử đó là yếu tố quan trọng nhất trên một kết nối điện dài), bạn có thể ước lượng xấp xỉ tần số nào mà tổn thất do độ nhám của đồng sẽ xuất hiện. Chỉ là một ví dụ, hình dưới đây cho thấy một số dữ liệu từ Rogers cho một lá đồng ½ oz./sq. ft. trên một lớp phủ polymer lỏng tinh thể (LCP) dày 4 mil (xem tại đây để biết dữ liệu gốc).

Từ đồ thị trên, sự khác biệt giữa các đường cong này là không đáng kể ở các tần số dưới khoảng 2 GHz, nhưng chúng ta có thể thấy rằng các đường cong tổn thất chèn cho các độ nhám đồng khác nhau rất khác biệt ở các tần số cao. Nếu bạn hoạt động ở các tần số cao, và tổn thất là một yếu tố quan trọng, bạn có thể cân nhắc điều này so với chi phí cho lớp phủ cụ thể của mình. Ngược lại, nếu bạn chỉ có một loại đồng nhám duy nhất có sẵn từ nhà cung cấp lớp phủ của mình, bạn có thể tìm kiếm một lớp phủ thay thế với tổn thất điện mô thấp hơn.

Miễn là bạn có thể lấy được dữ liệu về tổn hao chèn từ các nhà cung cấp vật liệu khác, thì bạn có thể thực hiện so sánh tương tự. Tuy nhiên, khi dữ liệu này không trực tiếp có sẵn, bạn sẽ cần sử dụng các giá trị độ nhám và giá trị tangent tổn hao cho các lựa chọn vật liệu khác nhau để ước lượng tổn hao chèn tại tần số hoạt động của bạn. Bạn thực sự có thể tính toán trực tiếp với quy trình sau:

1. Tính toán trở kháng không tổn hao cho kết nối của bạn sử dụng hằng số điện môi mịn (xem tại đây cho công thức hằng số điện môi)
2. Tính toán trở kháng có tổn hao với mô hình độ nhám của bạn từ trở kháng không tổn hao
3. Tính toán hằng số truyền sóng
4. Sử dụng kết quả từ #3 để tính tổn hao chèn với công thức chuẩn ABCD sang S-parameter

Chỉ để làm cho mọi thứ dễ dàng, và để loại bỏ nhu cầu chạy một chuyển đổi từ không tổn hao sang có tổn hao cho trở kháng, bạn có thể sử dụng một phép ước lượng đơn giản hợp lệ ở các tần số thấp để ước lượng khi tổn hao dẫn trở nên quá mức. Tổn hao tổng (S21 trong trường hợp này) và các phương trình liên quan bạn sẽ cần là:

Trong phép xấp xỉ này, trở kháng không mất mát Z0 được sử dụng để ước lượng sự mất mát của dẫn điện với và không có độ nhám. Lưu ý rằng, theo phép xấp xỉ này, người ta cho rằng sự mất mát do điện môi không thay đổi với các tham số độ nhám. Điều này không hoàn toàn đúng bởi vì, như có thể thấy từ bài viết mà tôi đã liên kết ở trên, hằng số điện môi (bao gồm cả phần ảo của hằng số điện môi) có thể tăng lên nếu độ nhám tăng lên.

Với mục đích của chúng ta, chúng ta chỉ tập trung vào sự mất mát của dẫn điện đồng trần. Nếu bạn sử dụng giá trị điện trở bề mặt (Rs) được hiển thị ở trên và điện trở DC, bạn chỉ cần một giá trị hệ số hiệu chỉnh độ nhám K để tính toán sự mất mát của dẫn điện. Đối với một đường dẫn mịn, chúng ta luôn có K = 1, trong khi đối với một đường dẫn nhám, bạn sẽ cần tính toán K sử dụng một mô hình độ nhám tiêu chuẩn. Dưới đây,

tôi đã cung cấp một số kết quả từ hai mô hình để so sánh (Hammerstad và Cannonball Huray, độ dày điện môi 4.12 mil, Dk không thay đổi = 4.17/Df = 0.014 cho đồng mịn). Sự mất mát điện môi được tính toán với sự hiệu chỉnh độ nhám áp dụng cho hằng số điện môi, điều này sẽ làm tăng sự mất mát điện môi.

Sự tăng của tổn thất ở tần số cao là đáng chú ý, mặc dù tổn thất điện mô vượt qua tổn thất dẫn ở mức gần gấp đôi tại 10 GHz. Hãy nhớ, điện trở DC và điện trở bề mặt ở trên là theo đơn vị chiều dài. Do đó, bất kỳ đơn vị chiều dài nào bạn sử dụng để lấy những giá trị này, đó sẽ là cùng một đơn vị trong giá trị dB/chiều dài từ phép tính.

Suy nghĩ cuối cùng

Thực tế thường phức tạp hơn nhiều so với những gì chúng ta thích giả định trong các mô hình lý thuyết, và cuối cùng một mô hình hình học tương đối phức tạp như Cannonball-Huray (hoặc bất kỳ mô hình độ nhám nào khác) sẽ lệch khỏi thực tế. Nếu bạn cần thực hiện nhiều mô hình hóa hơn về hành vi kết nối ở tần số cao và bạn cần các giá trị chính xác về hệ số chỉnh sửa độ nhám hoặc các phép đo độ nhám, thì bạn nên lấy những phép đo đó và sử dụng chúng trong thiết kế kết nối của mình.

Một điểm quan trọng ở đây là bạn có thể không cần phải có đồng hoàn toàn mịn trên mọi lớp. Ví dụ, bạn có thể thiết kế một cấu trúc xếp chồng lai hỗ trợ định tuyến tốc độ cao/tần số cao trên một lớp với đồng mịn. Tất cả các lớp khác có thể có đồng nhám, nhưng nếu những lớp đó chỉ hỗ trợ tín hiệu tốc độ thấp hoặc tần số thấp, thì độ nhám đồng trên những lớp đó sẽ không quan trọng. Đừng cố gắng thiết kế quá mức nếu bạn không cần.

Nếu bạn muốn có được các tính toán trở kháng đặc trưng chính xác bao gồm cả giá trị nhám cho lá đồng PCB của mình, hãy sử dụng máy giải 2D trong Quản lý Xếp Lớp trong Altium Designer®. Hồ sơ trở kháng bạn xác định cho các kết nối của mình có thể dễ dàng được áp dụng vào các quy tắc thiết kế của bạn và sẽ được tự động thực thi trong quá trình định tuyến. Khi bạn đã hoàn thành PCB và bạn sẵn sàng chia sẻ thiết kế của mình với các cộng tác viên hoặc nhà sản xuất của mình, bạn có thể chia sẻ thiết kế đã hoàn thành thông qua nền tảng Altium 365™. Tất cả những gì bạn cần để thiết kế và sản xuất điện tử tiên tiến có thể được tìm thấy trong một gói phần mềm.

Chúng tôi chỉ mới khám phá bề mặt của những gì có thể thực hiện với Altium Designer trên Altium 365. Bắt đầu dùng thử miễn phí Altium Designer + Altium 365 ngay hôm nay.