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Rog博客由罗杰斯公司(Rogers Corporation)的John Coonrod及其他专家提供,包括有关RF/微波材料的技术咨询和信息。
铜的品质是决定RF/HSD PCB性能的重要因素
录入时间:2022/8/2 11:51:27

优质的铜箔和介质材料是高性能、高可靠性电路板(PCB)的重要成分。虽然以往的博客已经介绍了很多与PCB介质材料属性有关的信息,但是更多地了解铜箔能更好地知道它是如何影响高频模拟和高速数字(HSD)PCB性能的。并非所有的PCB铜箔导体都是一样的。

与各种介质材料制成的PCB一样,也可以用不同厚度和种类的铜箔与之搭配。如罗杰斯公司的在线研讨会“铜的属性对高可靠性、高性能PCB设计的影响”中所述,随着电路频率和速度的提高,铜箔的选择也变得日益重要。铜箔的特定特征可能影响毫米波(mmWave)频率和高速数字(HSD)电路的性能。例如,铜箔表面粗糙度可能影响PCB的插入损耗、相位一致性和传播延迟。铜箔表面粗糙度既可能造成同一块PCB的性能发生变化,也可能造成不同PCB之间的电气性能的变化。理解铜箔在高性能、高速电路中的作用,有助于优化和更准确地从模型到实际电路的仿真设计过程。

我们知道,电路层压板主要由介电绝缘材料和铜箔导体组成。设计一个简单的微带线结构电路就包含一个顶层导体线路和一个底层接地层,以及顶层和底层之间的介电绝缘材料。铜箔有几种不同类型,包括电解铜箔(ED)和压延铜箔。在ED加工工艺中,铜箔是通过在一个钛鼓沉积而成的,其厚度由钛鼓的转动速度决定。紧贴钛鼓面的铜箔表面平滑,而外侧表面粗糙,铜的晶粒结构的形成方向与钛鼓表面垂直。压延铜箔加工工艺则通过用一系列越来越细的压力滚轴挤压铜锭制成,然后通过一个被称为“退火”的热处理工艺提高压延铜箔的柔韧性,所以这种铜箔也被称为压延退火(RA)铜箔。RA铜箔两面的粗糙度典型值通常具有小于0.35 µm RMS的表面光滑度。而ED铜箔更取决于不同的面,紧贴钛鼓的面更为光滑,而钛鼓外侧的面较为粗糙。ED铜箔的光滑面粗糙度也可以低至0.35~ 0.40 µm RMS左右,与RA铜箔相似;但是ED铜箔的另一面通常更粗糙。

ED铜箔的粗糙面有助于与介质基板的稳定粘合,通常其剥离强度高于压延铜箔与相同基板的剥离强度。由于ED铜箔粗糙面的表面更多凹凸不平,对于介质材料来说,可以形成一个较大的有效粘合区。所以介质材料与ED铜箔的结合力通常也高于它与RA铜箔的结合力。但是,ED铜箔缺少压延铜箔的延展性,因此更易于产生热裂纹,尤其是在热循环过程中。尽管如此,当蚀刻ED铜箔制作传输线和其他电路图案时,由于其晶格结构,ED铜箔形成的导体侧壁比压延铜箔更光滑。蚀刻成的ED铜导体的侧壁光滑,能够更真实地反应电路模型的特征,尤其对于高频/高速电路使用的窄导体来说。

粗糙度测量和电路性能

铜箔表面粗糙度的测量需要微米级分辨率的设备进行,对于不同种类的铜箔,表面粗糙度通常在0.25~3.0 µm之间。粗糙度的测量可以通过物理接触的方式进行,通常用一个精密触针或探针,沿着定义粗糙度的表面峰谷移动进行测量。但由于是接触式测量,通常触针或探触可能损坏铜箔表面。另一种方法是可以通过具有光学和激光显微镜的设备进行无接触式测量。这种测量方式可以提供高分辨率,但是可能不能发现隐藏在铜表面结构以下的细节,例如铜箔形成蘑菇状区域下的细节。但是随着光学和激光显微镜的三维(3D)测量能力的提高,它们能够更好地测量铜箔表面的粗糙度形态。

测得的铜箔表面粗糙度由相关特定的一些参数表征,比如Rz值(在一条线上测得的峰谷距离值)或Sz值(在一个区域内测得的峰谷距离值)和其他的一些参数。后期博客的内容将重点关注铜箔表面粗糙度测量所需的精度和确定表面粗糙度的参数范围的重要性。

铜箔表面粗糙度会影响毫米波和HSD电路的性能,尤其是电路的频率或传输速度升高时更为显着。表面粗糙度增加会影响导体损耗、信号相位和传播时间。导体损耗与介质损耗一样,都是电路插入损耗的一部分。电路的插入损耗是在特定的频率和长度下的传输线损耗,如微带线或带状线的损耗。趋肤深度指被大部分RF电流占用的导体的深度,频率越高,趋肤深度越薄。在较高微波或毫米波频率条件下,当趋肤深度非常薄时,任何程度的铜箔表面粗糙度都会增大导体损耗,且影响相位角和传播速度。另一方面,铜箔表面粗糙度的值不是固定不变的,存在一定的公差范围。铜箔表面粗糙度的公差变化会造成插入损耗、相位角和传播延迟的范围变化。如多张铜箔和多个电路板上的相同铜箔表面粗糙度的公差变化会造成用这些材料制成的批量电路的性能范围变化,尤其在较高频率下更是如此,例如在5G微基站和77 GHz汽车雷达中应用。再者,即使在相同粗糙度水平下,铜箔粗糙度的变化对信号层的影响也大于它对接地层的影响。铜箔表面粗糙度的增加会造成电路的有效介质系数(Dk)的增加,从而造成传输相位和传播延迟的变化。

但是,在薄的电路板或层压板上的电路,由于铜箔表面粗糙度的影响,选择更光滑的铜箔有利于降低对电路性能的影响。

此外,对于铜箔厚度角度,与厚铜箔相比,更薄的铜箔更易于控制和蚀刻成较高电路频率或高速传输速率所需的电路特征要求,所以表面更光滑的薄铜箔对于毫米波和HSD电路性能来说是更好的选择。

作为铜箔表面粗糙度对损耗影响的一个例子,使用不同种类的铜箔和不同的基板厚度,通过微带线电路评估了基于罗杰斯公司(www.rogerscorp.com)的 RO3003™ 层压板上的电路特性。对于这些被评估的电路,其中搭配较低铜箔表面粗糙度的0.5oz压延铜箔,厚度20 mils的基板上电路的损耗最少。其次是较高铜箔表面粗糙度的0.5oz ED铜箔的20mil厚度的电路。这两个电路在25GHz下的损耗差异是0.1dB/inch。当仍使用这两种0.5oz 铜箔但选用较薄的5mil厚度的基板上制作电路评估,结果是损耗差异显着增加。和期望的一样,当分别用薄的PCB基板和厚PCB基板制成的电路,0.5oz ED铜箔制成的基于5mil厚的RO3003的电路损耗最高,同时5mil厚度上的两种铜箔的损耗差异达0.35dB/inch。详细结果如下图所示,更薄的PCB板、更大的铜箔表面粗糙电路,损耗更大,尤其是在毫米波频率范围内。

您是否有任何设计或加工问题?罗杰斯公司的专家们将为您提供帮助。请登入罗杰斯技术支持中心,“询问工程师”。


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