Các Loại Màng Đồng PCB cho Thiết Kế Tần Số Cao

Ngành công nghiệp vật liệu PCB đã dành nhiều thời gian để phát triển các loại vật liệu cung cấp mức độ mất tín hiệu thấp nhất có thể. Đối với các thiết kế tốc độ cao và tần số cao, sự mất mát sẽ hạn chế khoảng cách truyền tín hiệu và làm méo tín hiệu, và nó sẽ tạo ra một sự lệch lạc trở kháng có thể được thấy trong các phép đo TDR. Khi chúng ta thiết kế bất kỳ bảng mạch in nào và phát triển các mạch hoạt động ở tần số cao hơn, có thể bạn sẽ bị cám dỗ để chọn đồng có bề mặt mịn nhất có thể trong tất cả các thiết kế bạn tạo ra.

Trong khi đúng là độ nhám của đồng tạo ra sự lệch lạc trở kháng và mất mát thêm, liệu bề mặt lá đồng của bạn thực sự cần phải mịn đến mức nào? Có những phương pháp đơn giản nào bạn có thể sử dụng để khắc phục sự mất mát mà không cần chọn đồng siêu mịn cho mọi thiết kế? Chúng tôi sẽ xem xét những điểm này trong bài viết này, cũng như những gì bạn có thể tìm kiếm nếu bạn bắt đầu tìm kiếm vật liệu xếp chồng PCB.

Loại Lá Đồng PCB

Thông thường, khi chúng ta nói về đồng trên các vật liệu PCB, chúng ta không nói về loại đồng cụ thể, mà chỉ nói về độ nhám của nó. Các phương pháp kết tủa đồng khác nhau tạo ra các lớp phim với các giá trị độ nhám khác nhau, có thể được phân biệt rõ ràng trong hình ảnh kính hiển vi điện tử quét (SEM). Nếu bạn sẽ hoạt động ở tần số cao (thường là WiFi 5 GHz trở lên) hoặc ở tốc độ cao, thì hãy chú ý đến loại đồng được chỉ định trong bảng dữ liệu vật liệu của bạn.

Cũng, hãy chắc chắn hiểu ý nghĩa của giá trị Dk trong bảng dữ liệu. Xem cuộc thảo luận podcast này với John Coonrod từ Rogers để tìm hiểu thêm về các thông số kỹ thuật Dk. Với điều đó trong tâm trí, hãy xem xét một số loại đồng foil PCB khác nhau.

Điện phân

Trong quá trình này, một trống được quay qua một dung dịch điện phân, và một phản ứng điện phân được sử dụng để "mọc" foil đồng lên trống. Khi trống quay, lớp phim đồng kết quả từ từ được cuốn vào một cuộn, tạo ra một tờ đồng liên tục có thể sau này được cuốn lên một lớp cách điện. Mặt trống của đồng sẽ cơ bản khớp với độ nhám của trống, trong khi mặt tiếp xúc sẽ nhám hơn nhiều.

Để có thể sử dụng trong quy trình chế tạo PCB tiêu chuẩn, mặt thô của đồng sẽ được gắn vào một điện mô cách điện bằng kính-nhựa đầu tiên. Phần đồng còn lộ (phía trống) sẽ cần được làm thô một cách có chủ ý bằng hóa chất (ví dụ, bằng khắc plasma) trước khi nó có thể được sử dụng trong quy trình lắp ghép đồng phủ tiêu chuẩn. Điều này sẽ đảm bảo rằng nó có thể được gắn vào lớp tiếp theo trong chồng PCB.

Đồng Điện Phân Xử Lý Bề Mặt

Tôi không biết thuật ngữ tốt nhất bao gồm tất cả các loại lá đồng xử lý bề mặt khác nhau, do đó có tiêu đề trên. Các vật liệu đồng này được biết đến nhiều nhất là lá đồng xử lý ngược, mặc dù có hai biến thể khác có sẵn (xem bên dưới).

Lớp phủ đảo ngược sử dụng một loại xử lý bề mặt được áp dụng lên phía mịn (phía trống) của tấm đồng điện phân. Lớp xử lý chỉ là một lớp phủ mỏng cố ý làm thô bề mặt đồng, để nó có độ bám dính cao hơn với vật liệu điện môi. Những xử lý này cũng đóng vai trò như một rào cản chống oxy hóa ngăn chặn sự ăn mòn. Khi đồng này được sử dụng để tạo ra các tấm lớp phủ, mặt đã xử lý được gắn vào vật liệu điện môi, và phần bề mặt thô còn lại sẽ lộ ra ngoài. Bề mặt lộ này sẽ không cần thêm bất kỳ sự thô ráp nào trước khi khắc; nó đã có đủ sức mạnh để liên kết với lớp tiếp theo trong chồng PCB.

Ba biến thể của lớp phủ đồng đảo ngược bao gồm:

• Đồng lá có khả năng kéo dài ở nhiệt độ cao (HTE): Đây là một loại đồng lá điện phân tuân thủ theo quy định IPC-4562 Grade 3. Mặt tiếp xúc cũng được xử lý với một rào cản chống oxy hóa để ngăn chặn sự ăn mòn trong quá trình lưu trữ.
• Lớp phủ kép: Trong loại đồng lá này, xử lý được áp dụng cho cả hai mặt của tấm phim. Vật liệu này đôi khi được gọi là lớp phủ phía trống.
• Đồng có kháng: Loại này thường không được phân loại là đồng đã qua xử lý bề mặt. Tấm đồng này sử dụng một lớp phủ kim loại trên bề mặt mờ của đồng, sau đó được làm nhám đến mức độ mong muốn.

Ứng dụng xử lý bề mặt trên các vật liệu đồng này khá đơn giản: tấm đồng được lăn qua các bể điện phân bổ sung để áp dụng một lớp phủ đồng thứ cấp, tiếp theo là một lớp hạt rào cản, và cuối cùng là một lớp phim chống ăn mòn.

Với những quy trình này, bạn có một vật liệu có thể dễ dàng sử dụng trong quy trình sản xuất bảng mạch tiêu chuẩn với ít quy trình bổ sung.

Đồng Cuộn-Nhiệt Luyện

Các tấm đồng cuộn-nhiệt luyện sẽ đưa một cuộn đồng qua một cặp con lăn, làm lạnh cuộn đồng đến độ dày mong muốn. Độ nhám của tấm đồng kết quả sẽ thay đổi tùy thuộc vào các tham số lăn (tốc độ, áp suất, v.v.). Tấm kết quả có thể rất mịn, và các vết sọc có thể thấy trên bề mặt của tấm đồng cuộn-nhiệt luyện. Hình ảnh dưới đây cho thấy sự so sánh giữa một tấm đồng điện phân và một tấm đồng cuộn-nhiệt luyện.

Đồng Hồ Sơ Thấp

Đây không nhất thiết là loại lá đồng mà bạn sẽ sản xuất bằng quy trình thay thế. Lá đồng hồ sơ thấp là lá đồng điện phân được xử lý và chỉnh sửa bằng quy trình làm nhám vi mô để cung cấp độ nhám trung bình rất thấp nhưng vẫn đủ nhám để dính vào vật liệu nền. Quy trình sản xuất những lá đồng này thường là bí mật riêng của nhà sản xuất. Những lá đồng này thường được phân loại là hồ sơ cực thấp (ULP), hồ sơ rất thấp (VLP), và đơn giản là hồ sơ thấp (LP, khoảng 1 micron độ nhám trung bình).

Loại Lá Đồng và Độ Nhám Đồng trong Bảng Dữ Liệu

Cuối cùng, bạn đang cố gắng đạt được giá trị độ nhám, đặc biệt là cho bố cục PCB RF. Các bộ vật liệu tạo nên các lựa chọn tốt nhất cho thiết kế tần số cao thường là lá đồng hồ sơ cực thấp hoặc lá đồng cán mềm (0.25 đến 0.5 microns), tiếp theo là hồ sơ thấp và lá đồng xử lý ngược (khoảng 1 đến 1.5 microns). Lá đồng điện phân có thể có phạm vi độ nhám bề mặt rất rộng (từ 1 đến 4 microns).

Hai ví dụ về lá đồng điện phân được hiển thị trong hình ảnh SEM dưới đây (hình ảnh được cung cấp bởi Oak-Mitsui Technologies). Từ hình ảnh này, người ta có thể cố gắng rút ra giá trị độ nhám từ hình ảnh dựa trên góc tới của chùm electron. Phương pháp thông thường để đo độ nhám là sử dụng máy đo hồ sơ cơ học, và có một phương pháp giao thoa được sử dụng cho các phim có độ nhám rất thấp.

Tuy nhiên, bạn không thể chỉ chọn bất kỳ loại đồng nào bạn muốn cùng với các loại lớp phủ cụ thể và giá trị vật liệu, bạn phải làm việc trong những gì có sẵn trên thị trường. Tuy nhiên, trong các ứng dụng tần số cao nơi độ nhám của đồng quan trọng, các nhà cung cấp vật liệu đã làm một công việc tốt trong việc cung cấp thông tin về loại và độ nhám của lá đồng PCB mà họ sử dụng trong vật liệu của mình. Hãy xem ví dụ dưới đây từ bảng dữ liệu Rogers 3003/3035. Bảng này rất hữu ích vì nó tổng hợp tất cả các loại lá đồng có sẵn cho bộ lớp phủ tần số cao này vào một vị trí duy nhất.

Sau khi bạn chọn loại laminate cho hệ thống vật liệu này, bạn có thể liên hệ với nhà cung cấp để lấy dữ liệu về độ nhám. Họ nên có thể gửi cho bạn một bảng liệt kê phạm vi độ nhám cho sản phẩm bạn quan tâm sử dụng để bạn có thể đủ điều kiện cho thiết kế của mình.

Một ví dụ khác có thể được tìm thấy cho vật liệu AGC Taconic. Trong đoạn trích dưới đây, họ liệt kê cả loại lá đồng và giá trị độ nhám của lá đồng, cả cho mặt đã xử lý và chưa xử lý. Có rất nhiều dữ liệu khác có sẵn trong hướng dẫn chọn sản phẩm của họ mà bạn có thể sử dụng để chọn vật liệu phù hợp cho thiết kế của mình.

Từ những giá trị này (hoặc sau một email tới nhà cung cấp laminate), bạn có thể lấy được các tham số độ nhám mà bạn cần để mô hình hóa độ nhám lá đồng và ảnh hưởng của nó đến trở kháng. Từ đó, bạn có thể tính được sự mất mát, bắt đầu từ các tham số ABCD cho một đường truyền với giá trị trở kháng của bạn, hoặc bằng cách tính trực tiếp hằng số truyền dẫn. Sau đó, bạn có thể tính được sự mất mát và, nếu bạn muốn, tính giá trị S21 dự kiến cho kết nối của bạn. Bây giờ bạn biết tất cả rồi!

Một điểm mà tôi không bao giờ thấy được thảo luận là: liệu bạn có thực sự cần xem xét đến độ nhám của lá đồng trong thiết kế kết nối cụ thể của mình không? Khi nào bạn có thể bỏ qua độ nhám và vẫn đảm bảo kết quả chính xác? Chúng tôi sẽ thảo luận về khía cạnh này của việc đánh giá độ nhám đồng và xác định liệu một giá trị nhất định có phù hợp trong bài viết sắp tới.

Nếu bạn muốn có được tính toán trở kháng chính xác bao gồm giá trị độ nhám cho lá đồng PCB của mình, hãy sử dụng máy giải 2D trong Quản lý Lớp Xếp 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. Một 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 bạn, 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 làm được với Altium Designer trên Altium 365. Bắt đầu dùng thử miễn phí Altium Designer + Altium 365 ngày hôm nay.