銅箔粗糙度在高速PCB中的應(yīng)用,從銅箔的趨膚效應(yīng)和低粗糙銅箔加工帶來的問題等進(jìn)行詳細(xì)探討
發(fā)布時間:2021-02-01點(diǎn)擊:3524
一、趨膚效應(yīng)帶來的問題
隨著在通信、云計(jì)算、云存儲技術(shù)發(fā)展,以及更高的以太網(wǎng)、云服務(wù)器的發(fā)展,PCB將進(jìn)一步向高速/高頻方向發(fā)展,PCB信號傳輸性能也會在一定程度上制約高速傳輸技術(shù)的發(fā)展。4G時代,PCB單通道信號傳輸速率已由10Gbps提升至25Gbps,預(yù)計(jì)5G時代會進(jìn)一步提升至50Gbps以上。
信號高速/高頻化是信號傳輸越來越集中于導(dǎo)線“表層”(稱為趨膚效應(yīng)),當(dāng)頻率達(dá)1GHz時,其信號在導(dǎo)線表面的傳輸厚度僅為2.1μm,如果導(dǎo)體表面粗糙度為3-5μm,信號傳輸僅在粗糙度的厚度范圍內(nèi)進(jìn)行;當(dāng)信號傳輸頻率提高到10GHz時,其信號在導(dǎo)體表面的傳輸厚度為0.7μm,信號傳輸更是在粗糙度范圍內(nèi)進(jìn)行。信號在粗糙度范圍傳輸,傳輸信號的駐波、反射將越來越嚴(yán)重,并導(dǎo)致信號傳輸路徑變長,損耗增加(效果見圖1)。
由于趨膚效應(yīng)的存在,高速PCB如果繼續(xù)使用常規(guī)(STD)銅箔,其結(jié)果是:隨信號傳輸頻率增加,趨膚效應(yīng)導(dǎo)致的信號“失真”愈發(fā)嚴(yán)重。因此,當(dāng)前的高速材料上低粗糙度銅箔的應(yīng)用越來越廣泛,像Mid Loss材料和Low Loss材料都采用反轉(zhuǎn)(RTF)銅箔作為標(biāo)配銅箔;Very Low Loss材料雖然也是標(biāo)配RTF銅箔,但客戶設(shè)計(jì)多是采用超低輪廓(HVLP)銅箔;對于Ultra low loss材料,HVLP銅箔已成為標(biāo)配。通過掃描電鏡和金相顯微鏡可看出STD、RTF和HVLP銅箔(厚0.5oz)的表面形貌(見圖2)。STD銅箔毛面粗糙度(Rz)約為5μm,光面粗糙度3μm;RTF銅箔毛面、光面粗糙度約3μm;HVLP銅箔光面、毛面粗糙度均在2μm以內(nèi)。據(jù)了解,銅箔供應(yīng)商目前還正在開發(fā)表面粗糙度在1μm以下的NP銅箔,由于可靠性問題尚未解決,實(shí)際產(chǎn)品尚未應(yīng)用
PCB中傳輸線損耗主要包括介質(zhì)損耗和導(dǎo)體損耗兩個部分。對應(yīng)常規(guī)FR4材料,1GHz是介質(zhì)損耗和導(dǎo)體損耗的分水嶺(見圖3),1GHz以下時導(dǎo)體損耗占主要;頻率超過1GHz后,介質(zhì)損耗占主要。
然而,對應(yīng)Very Low Loss材料,介質(zhì)損耗已不是主要損耗,10GHz頻率下導(dǎo)體損耗約占傳輸線整體損耗的60%。圖4是基于聯(lián)茂IT-968材料模擬計(jì)算出的微帶線、帶狀線導(dǎo)體損耗(導(dǎo)損)和介質(zhì)損耗(介損)情況。由圖可以看出,帶狀線理論計(jì)算的損耗與實(shí)測損耗基本一致;不管是微帶線還是帶狀線,介質(zhì)損耗都遠(yuǎn)小于導(dǎo)體損耗。
從Mid Loss到Ultra Low Loss材料,導(dǎo)體損耗所占的比重逐漸增加。高速材料采用不同類型銅箔后,測得的損耗也存在明顯差異。圖5是IT-968材料采用STD、RTF和HVLP銅箔時,制作的帶狀線信號損耗測試結(jié)果。
二、低粗糙度銅箔加工
HVLP銅箔表面雖比較光滑,但現(xiàn)有PCB工藝會導(dǎo)致銅箔表面粗糙度增加,影響HVLP銅箔效果。按內(nèi)層線路制作工藝,內(nèi)層需要經(jīng)過干膜前處理和棕化流程,經(jīng)過這兩個流程處理后,HVLP銅箔表面粗糙度Rz會由原來的1.5μm增加至3μm左右。為解決該問題,市面上也有對應(yīng)低粗糙度工藝推出,相比傳統(tǒng)棕化藥水,該工藝不會對HVLP銅箔表面進(jìn)行微蝕,而是在對銅箔表面進(jìn)行清洗后,沉上一層錫,并用硅氧烷對表面進(jìn)行修飾,硅氧烷在與PP壓合時,可以起到橋連作用,可在一定程度上增加銅箔與PP的結(jié)合力(低粗糙度工藝原理見圖6)
采用該工藝與傳統(tǒng)棕化工藝后,HVLP銅箔表面粗糙度對比見表1。由圖看出,現(xiàn)有干膜前處理及棕化工藝都會在一定程度上使銅箔表面粗糙度增加;采用低粗糙度工藝后,銅箔表面粗糙度與原來料銅箔基本一致。
表1 采用傳統(tǒng)棕化和低粗糙度工藝后銅箔表面粗糙度變化對比
圖7是Very Low Loss材料配備HVLP銅箔時,采用低粗糙度工藝后損耗改善情況。測試結(jié)果表明,采用低粗糙度工藝后,信號損耗可以降低0.03-0.05dB/Inch(12.5GHz)??陀^來說,這改善幅度對Very Low Loss材料來說改善幅度并不顯著,而結(jié)合改善的效果和成本投入來看,該工藝性價比還不能令人滿意,所以該工藝尚未得到廣泛應(yīng)用。同時對于HVLP銅來說,由于其本身還是具有一定粗糙度,這導(dǎo)致該工藝也只能達(dá)到這樣效果。對于未來Ultra Low Loss材料來說,該改善幅度可能會更有意義,另外當(dāng)NP銅箔正式推出商用后,該工藝相信也會發(fā)揮更好的效果。
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