【经验】高频PCB设计时需要考虑的铜箔的特性实验分析

时间： 2018-04-09 来源：ROGERS

技术问答

铜箔对高频印刷电路板（PCB）性能的贡献看起来很简单，然而随着信号频率增加到微波和毫米波区域，铜箔对PCB的影响也会增加，因此需要仔细考虑这些更高频率下的铜类型。PCB中主要使用两种类型的铜：电沉积（ED）铜和轧制锻造铜，而不同处理方法处理的相同类型的ED铜可以产生不同的电路性能。

对于高频电路而言，铜箔特性非常重要。用于高频电路组件的许多PCB实际上是由不同类型的PCB材料组成的混合物，图1展示了混合多层电路结构的简单横截面图，其中铜层1（顶部）和层2是用于高频性能的关键层，其中层1是信号导体，层2是接地层。在该介质上传播的高频波的大部分电场位于层1的底部和层2的顶部之间，因为信号导体边缘的电场集中度较高。

图1 混合多层高频PCB

通常出于一些原因需要对铜箔进行处理：（1）处理可以增强铜箔与基底材料之间的结合；（2）处理可以提高铜-基底界面的热稳定性，使粘结能够承受更高的温度或更宽的温度范围；（3）处理可以防止铜箔表面附着到衬底材料之前氧化。PCB中使用的大多数金属和合金的导电性比铜差，在高频率下，由铜处理导致的导电率降低可能会增加插入损耗。

图2简单说明了PCB上微带传输线的电场和电流密度，可以看出铜-基底界面处的电流密度高。由于信号波长随着频率的增加而减小，因此在较高频率下的电流密度将集中在更靠近PCB表面和该界面的区域，这种现象称为趋肤深度。因此，在更高的频率下，任何影响铜导电率的铜处理也将影响插入损耗性能。

图2 微带传输线电路的电场（红线）和电流密度（蓝色阴影）的简单说明

对插入损耗有影响的另一因素是铜表面的粗糙度^[1]，一般来说，在铜-基底界面处，粗糙的铜表面会引起插入损耗的增加，尤其是在高频率下。趋肤深度导致铜粗糙度对插入损耗的影响与频率相关，在较低频率下，铜表面粗糙度对插损的影响较小，而在更高的频率下，随着趋肤深度收缩以及使用导体数的减少，当趋肤深度大约等于或小于铜表面粗糙度的值时，铜表面粗糙度将增加导体损耗并直接影响插损，图3的信息表验证了这一说法。

图3 微带电路的横截面图为铜表面粗糙度的放大图像；

数据表为不同频率下的典型RMS铜表面粗糙度值和趋肤深度

铜表面粗糙度对插入损耗的影响还取决于基底材料的厚度，对于较薄的电路，铜表面粗糙度对插入损耗的影响将比较厚的影响更大。图4描述了微波频率下基底厚度和铜表面粗糙度对微带电路插入损耗的影响。实验使用相同的电路基板材料 RO3003™，比较了不同厚度和铜线类型的50Ω微带传输线路电路的插入损耗，其中轧制铜是光滑的，表面粗糙度约为0.3μm RMS，而ED铜具有较大的表面粗糙度，约为1.8μm RMS。RO3003™高频电路材料是用于商业微波和射频应用的陶瓷填充PTFE复合材料，它具有出色的电气和机械稳定性，并且有着低廉的价格，此外，RO3003层压板在10 GhZ时仅具有0.0013的低Df。通过图4的四条曲线可以看出，基底材料的厚度越大，插损越小；铜表面粗糙度越大，插损越大。

图4 具有不同厚度和类型铜箔的相同PCB材料，其插入损耗与频率的关系

在毫米波频率（大约30GHz至300GHz）下，通常需要较薄的电路材料以避免不必要的波传播并最小化辐射能量。但是，较薄的电路材料也会在毫米波频率下增加铜表面粗糙度对插入损耗的影响，如图5所示。

图5 相同厚度不同铜类型下PCB材料插入损耗与频率的关系

铜表面粗糙度除了影响插入损耗性能以外，还会影响高频电路的性能，例如影响驻留在电路上的电磁（EM）波传播特性。铜表面粗糙度可以改变EM波的相位常数^[2]，改变电路的相位响应。铜表面粗糙度也会影响高频EM波穿过PCB的方式，通过改变PCB材料的介电常数（Dk）来影响高频传输线。如图6所示，对于相同基底材料不同铜表面粗糙度的两个电路层压板而言，铜表面粗糙度将导致微带传输线的阻抗差异，从而导致相同微带电路的Dk值不同。可以看出，铜表面粗糙度越大，电路材料的Dk越高。值得注意的是，这种5mil厚的电路材料的固有Dk值是3.0，当使用轧制铜时，即使在毫米波频率下，它对Dk的影响也很小。

图6 相同PCB材料不同铜表面粗糙度的微带传输线电路的Dk与频率的关系

铜粗糙度对电路感知Dk的影响也取决于电路材料的厚度。较薄电路的Dk相对较厚电路而言，更容易受到铜表面粗糙度的影响。图7展示了基于具有相同材料和铜类型但具有不同厚度（5,10和20mil）基板的微带电路的Dk与频率关系曲线。可以明显看出Dk随着衬底厚度的增加而减小，且更接近材料的固有Dk值（固有Dk值为3.0）。

图7 相同电路材料铜类型、不同基底厚度的微带传输电路的Dk与频率的关系

技术顾问：程增木

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全部评论（1）

LouBing Lv7. 资深专家 2018-04-09

干货，学习了

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