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ROGERS:铜特性对PCB射频及高速数字性能的影响

七月 02, 2019 | I-Connect007
ROGERS:铜特性对PCB射频及高速数字性能的影响

铜表面粗糙度对PCB射频(RF)性能的影响在RF领域已众所周知。铜表面粗糙度对高速数字性能也有影响。本文将以一个简单的双层铜电路为例,说明铜表面粗糙度对RF及高速数字性能的影响。 

实例中的电路其顶部铜平面上有信号导体微带,地平面在电路底部。此外,还应考虑趋肤深度和波传播的概念。趋肤深度是大部分RF电流所在的铜横截面积内的深度,其取决于频率。在较低频率下,RF电流将具有较厚的趋肤深度,会使用更多的导体。在较高频率下,趋肤深度较薄,而RF电流会使用较少的导体。对于波传播,使用较高介电常数(Dk)的电路在微带电路上传播的电磁波将较慢。使用较低Dk的材料,波传播速度更快,传播延迟将会减小。 

罗杰斯公司对铜表面粗糙度进行了广泛的研究,并为感兴趣的读者提供了大量的信息。如果有两个相同的电路,一个使用高Dk材料,另一个使用低Dk材料,然后进行比较。我们知道,电路的波传播速度将分别为较慢和较快。但是,我们发现其他电路特性可以改变波的传播速度,其中特性之一是铜的表面粗糙度。具体地说,铜的表面粗糙度是基板与铜界面处的粗糙度。

此外,罗杰斯公司还进行了相同材料用于相同微带设计的实验,唯一的差别是铜的类型。在这些实验中,我们发现,与表面更光滑的电路相比,表面更粗糙的电路始终具有更慢的波传播速度。更粗糙的铜将减缓波速,慢波被电路感知为更高的Dk,即使两个电路的材料Dk相同。从电路性能中提取Dk值时,粗铜电路比光滑铜的电路具有更高的Dk值。此外,我们发现,与使用更厚基板制作的电路相比,对于使用薄基板制作的电路,波传播将会更多地受到铜表面粗糙度的影响。

铜表面粗糙度对波传播的影响也与频率有关。在低频时,铜表面粗糙度对波速的影响很小或没有。频率依赖性是由于趋肤深度,低频时趋肤深度较深。粗糙度是RF电流所用导体横截面积的一小部分;铜粗糙度对波的传播几乎没有影响。但是,在较高的频率下,特别是在趋肤深度等于或小于铜表面粗糙度的频率下,粗糙度将对电路的波传播特性有很大的影响。

对于铜表面较粗糙的RF印制电路板,铜表面会导致导体损耗增加、波速减慢和更高的有效Dk。对于使用铜表面较粗糙的高速数字印制电路板,铜会导致插入损耗和传播延迟增加,并且通常会降低眼图中的开口。很多年前,当数字速率较慢和Nyquist频率较低时,铜表面粗糙度对这些电路的影响是极小的。现在,随着数字速率变快和Nyquist频率变高,铜表面粗糙度对这些电路的潜在影响可能会很大。

随着采用毫米波技术的很多新应用的涌现,其RF处于超高频率下,铜表面粗糙度对这些电路的RF性能将会有很大的影响。铜表面粗糙度对毫米波电路的插入损耗和相位响应也会有很大的影响。PCB行业中使用的所有铜类型都有正常的表面变化范围。自然的趋势是,表面粗糙的铜比表面光滑的铜有更大的粗糙度变化范围。铜表面粗糙度变化会引起电路到电路的相位变化。

尽管本文的实例使用的是两层铜电路,但在构建多层印制电路板时,常见的问题是,铜表面粗糙度对电路电气性能的影响可能比设计师预期的要大。PCB制造商通常可以选择在多层印制电路板的某些层上使用不同类型的铜。通常,他们的决定是基于要构建稳定电路的愿望。为了优化电路的电气性能,还需要考虑铜的表面粗糙度。

John Coonrod,罗杰斯 技术营销经理

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标签:
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