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高速互聯(lián)損耗之導體損耗-華普通用

發(fā)表日期:2020/09/16 瀏覽次數(shù):

高速互聯(lián)損耗是造成信號完整性問題的主要原因,損耗一般由四部分組成:損耗(導體損耗和介質(zhì)損耗)、反射、串擾和差分傳輸中的模式轉(zhuǎn)換。銅導體損耗是互連損耗中的一種,本文主要來分析導體損耗的影響因素。


所有以1 Gbps及更高速率運行的高速電子產(chǎn)品都受到互連中與頻率有關(guān)的損耗的影響。如果不考慮這些因素,很可能您的產(chǎn)品無法正常工作。這些與頻率有關(guān)的損耗會將發(fā)送端的漂亮眼圖變成接收端的完全閉合的眼圖。

設計經(jīng)濟高效的系統(tǒng)是所需性能與功耗、成本、風險和時間成本之間的微妙平衡。盡管采用均衡可以協(xié)助眼圖張開,但這是以更高的功耗為代價的。

高速互聯(lián)損耗

在損耗占主導的系統(tǒng)中,系統(tǒng)的性能受到基本的物理限制,當設計受到損耗的限制時,要考慮所有可用選項,以降低系統(tǒng)的損耗。通常,只有兩種選擇:較低的耗散因子Df的板材和與理想銅性能盡可能接近的銅箔。


這些市場力量一直在驅(qū)動PCB供應商提供具有越來越低耗散因子的板材,相同的力量推動銅箔供應商,正在開發(fā)性能幾乎與理想銅相同的銅箔。


銅導線每單位長度串聯(lián)電阻的頻率依賴性取決于三個因素:

  • 銅電導率

  • 線寬

  • 表面光滑度


趨膚效應


影響銅損的頻率依賴性的首要因素是趨膚效應,隨著頻率的提高,這會導致電流在信號路徑和返回路徑中重新分布,意味著電流流經(jīng)的橫截面變小,阻抗變大。


我們可以阻抗的角度分析趨膚效應,趨膚效應可以認為是電流尋求最低阻抗路徑的趨勢造成的。


在DC時, 阻抗主要由電阻性阻抗決定,導體內(nèi)部和外部的阻抗是一樣的,電流均勻分布在導體橫截面上,各處的電流密度都是一樣的,

但是當輸入交流信號時, 路徑阻抗主要由回路電感決定,導體內(nèi)部路徑的電感更大,感性阻抗越大,為尋找回路電感最低路徑,電流在導線上的分布會趨向?qū)w的表面。
趨膚深度可以通過下面的公式來計算,串聯(lián)電阻和頻率的平方根成正比。

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銅箔表面光滑度的影響

長期以來,我們認為表面有紋理或粗糙的銅會增加額外的損耗,最近推出的SI-VSP(非常光滑)銅箔,可能已經(jīng)是銅光滑的極限。

在大約3 GHz以上,增加的銅導線串聯(lián)電阻,比僅依據(jù)趨膚效應預期的要多。這與銅的粗糙度有關(guān),在較高的頻率下,表面粗糙的銅可比理想的光滑銅所預期的損耗多一倍。

銅箔生產(chǎn)的目標是開發(fā)一種經(jīng)濟高效的方法,使銅足夠光滑,不會增加額外的損耗,但仍與PCB化學相容,以提供足夠的附著力、機械性能和蝕刻質(zhì)量

最近發(fā)布的SI-VSP銅箔,已接近理想的光滑銅性能,下圖是其電沉積(ED)銅箔的鏡面光滑表面紋理與其他傳統(tǒng)ED工藝中的啞光表面處理相比的示例。

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 這項創(chuàng)新是通過新的電鍍化學和工藝來設計電沉積銅箔的晶粒結(jié)構(gòu)的結(jié)果。
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SI-VSP銅箔成本最高,但表面也最平滑,損耗也最低。VSP鋁箔的第一個版本于2012年推出。在過去的七年中,VSP銅箔的化學技術(shù)取得了進步, SI-VSP的表面輪廓均方根(Rz)約為0.5微米。

 

下圖顯示了不同等級VSP銅箔的不同結(jié)節(jié)結(jié)構(gòu)和所產(chǎn)生的表面紋理對損耗的影響。


銅表面越光滑,損耗越小,直接的結(jié)果是,降低了電路板表面的機械粘附力。 為了補充機械附著力,箔紙出廠前已進行了三種表面處理。

 

進行結(jié)節(jié)處理以增加與表面的粘合,然后,將鉻酸鋅合金鍍在銅的表面上,這樣可提供化學活性更高的表面,以實現(xiàn)更好的附著力,但不會改變表面紋理。然后,將充當粘合促進劑的硅烷偶聯(lián)劑涂覆在表面上。這些為不同的電路板化學材料定制的材料,將與電路板的粘合力提高到至少3 lb/ in的強度,它們還有助于電路板制造過程中光致抗蝕劑的附著。


硅烷偶聯(lián)增粘劑既有助于與層壓材料的粘合,又有助于電路板制造中光致抗蝕劑的粘合。這意味著可以更好地控制線寬,并且在需要時可以蝕刻更細的線。

 

不同等級的VSP銅箔都具有不同的表面紋理,對應不同的粗糙損耗以及不同的成本。當選擇可接受的低損耗的最低成本箔片時,這可以在成本-性能折衷之間實現(xiàn)更好的平衡。這也是為什么精確的建模工具不僅對探索互連結(jié)構(gòu)的性能,而且對性價比之間的平衡至關(guān)重要的另一個原因。


總結(jié)


隨著新的SI-VSP銅箔的推出,銅損已達到極限。減少銅損的唯一方向就是增加線寬。在邁向更高數(shù)據(jù)速率的過程中,這將成為成本性能權(quán)衡的重要因素.


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