铜箔粗糙度在高速PCB中的应用

来源:一博自媒体 时间:2018-5-28 类别:微信自媒体


1. 趋肤效应带来的问题
随着在通信、云计算、云存储技术发展,以及更高的以太网、云服务器的发展,PCB将进一步向高速/高频方向发展,PCB信号传输性能也会在一定程度上制约高速传输技术的发展。4G时代,PCB单通道信号传输速率已由10Gbps提升至25Gbps,预计5G时代会进一步提升至50Gbps以上。

信号高速/高频化是信号传输越来越集中于导线“表层”(称为趋肤效应),当频率达1GHz时,其信号在导线表面的传输厚度仅为2.1μm,如果导体表面粗糙度为3-5μm,信号传输仅在粗糙度的厚度范围内进行;当信号传输频率提高到10GHz时,其信号在导体表面的传输厚度为0.7μm,信号传输更是在粗糙度范围内进行。信号在粗糙度范围传输,传输信号的驻波、反射将越来越严重,并导致信号传输路径变长,损耗增加(效果见图1)。

 
图1 趋肤效应示意图

由于趋肤效应的存在,高速PCB如果继续使用常规(STD)铜箔,其结果是:随信号传输频率增加,趋肤效应导致的信号“失真”愈发严重。因此,当前的高速材料上低粗糙度铜箔的应用越来越广泛,像Mid Loss材料和Low Loss材料都采用反转(RTF)铜箔作为标配铜箔;Very Low Loss材料虽然也是标配RTF铜箔,但客户设计多是采用超低轮廓(HVLP)铜箔;对于Ultra low loss材料,HVLP铜箔已成为标配。通过扫描电镜和金相显微镜可看出STD、RTF和HVLP铜箔(厚0.5oz)的表面形貌(见图2)。STD铜箔毛面粗糙度(Rz)约为5μm,光面粗糙度3μm;RTF铜箔毛面、光面粗糙度约3μm;HVLP铜箔光面、毛面粗糙度均在2μm以内。据了解,铜箔供应商目前还正在开发表面粗糙度在1μm以下的NP铜箔,由于可靠性问题尚未解决,实际产品尚未应用。
 
图2 STD、RTF和HVLP铜箔切面和表面形貌

2. 低粗糙度铜箔对损耗的改善

PCB中传输线损耗主要包括介质损耗和导体损耗两个部分。对应常规FR4材料,1GHz是介质损耗和导体损耗的分水岭(见图3),1GHz以下时导体损耗占主要;频率超过1GHz后,介质损耗占主要。
 
图3 FR4材料各频率下介质损耗和导体损耗对比

然而,对应Very Low Loss材料,介质损耗已不是主要损耗,10GHz频率下导体损耗约占传输线整体损耗的60%。图4是基于联茂IT-968材料模拟计算出的微带线、带状线导体损耗(导损)和介质损耗(介损)情况。由图可以看出,带状线理论计算的损耗与实测损耗基本一致;不管是微带线还是带状线,介质损耗都远小于导体损耗。
  
图4 IT-968材料制作的微带线(左)和带状线(右)导损和介损情况

从Mid Loss到Ultra Low Loss材料,导体损耗所占的比重逐渐增加。高速材料采用不同类型铜箔后,测得的损耗也存在明显差异。图5是IT-968材料采用STD、RTF和HVLP铜箔时,制作的带状线信号损耗测试结果。
 
图5 STD、RTF和HVLP铜箔制作带状线损耗对比

3. 低粗糙度铜箔加工
HVLP铜箔表面虽比较光滑,但现有PCB工艺会导致铜箔表面粗糙度增加,影响HVLP铜箔效果。按内层线路制作工艺,内层需要经过干膜前处理和棕化流程,经过这两个流程处理后,HVLP铜箔表面粗糙度Rz会由原来的1.5μm增加至3μm左右。为解决该问题,市面上也有对应低粗糙度工艺推出,相比传统棕化药水,该工艺不会对HVLP铜箔表面进行微蚀,而是在对铜箔表面进行清洗后,沉上一层锡,并用硅氧烷对表面进行修饰,硅氧烷在与PP压合时,可以起到桥连作用,可在一定程度上增加铜箔与PP的结合力(低粗糙度工艺原理见图6)。
 
图6 低粗糙度工艺原理

采用该工艺与传统棕化工艺后,HVLP铜箔表面粗糙度对比见表1。由图看出,现有干膜前处理及棕化工艺都会在一定程度上使铜箔表面粗糙度增加;采用低粗糙度工艺后,铜箔表面粗糙度与原来料铜箔基本一致。
表1 采用传统棕化和低粗糙度工艺后铜箔表面粗糙度变化对比

图7是Very Low Loss材料配备HVLP铜箔时,采用低粗糙度工艺后损耗改善情况。测试结果表明,采用低粗糙度工艺后,信号损耗可以降低0.03-0.05dB/Inch(12.5GHz)。客观来说,这改善幅度对Very Low Loss材料来说改善幅度并不显著,而结合改善的效果和成本投入来看,该工艺性价比还不能令人满意,所以该工艺尚未得到广泛应用。同时对于HVLP铜来说,由于其本身还是具有一定粗糙度,这导致该工艺也只能达到这样效果。对于未来Ultra Low Loss材料来说,该改善幅度可能会更有意义,另外当NP铜箔正式推出商用后,该工艺相信也会发挥更好的效果。
 
图7 传统工艺和低粗糙度工艺处理后带状线损耗对比


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