Дисклеймер

На этой платформе я успел выпустить всего 3 статьи, а у меня уже появились «хейтеры», которые сразу после выпуска статьи, уменьшают ее рейтинг, тем самым уменьшая выдачу другим пользователям. Так что, если вы считаете мои статьи полезными, то не забудете проголосовать за них и поставить мне карму. Спасибо!

В прошлых статьях мы уже обозначили несколько моментов, которые не всегда очевидны при разработке топологии и решение которых могло бы улучшить некоторые методы моделирования. В этой статье хотелось бы сфокусироваться на тех вещах, которые не поддаются моделированию и по большей части они являются проблемами производства.

Это статья будет обзорная со ссылками на международные статьи, так как там эта тема более актуальна, за счет того, что максимальные результаты уже были выжаты при помощи моделирования и за счет того, что устройства, которые разрабатываются во многом используют более высоко скоростные интерфейсы, чем отечественное оборудование.

Но перед началом, я задам вам пару вопросов. Попрошу вас ответить на них честно, чтобы потом вы могли сравнить ваши ответы и ощущения, от того, что говорят ведущие исследователи.

— Какая шероховатость меди у вас на плате? А как она влияет на SI?

— Какие параметры вы учитываете при расчете переходных отверстий?

— Симметричен ли ваш stack‑up в проектах? А симметричен только по толщине или по материалам? А какое влияние будет у не симметричного по материалам на «bow and twist» и SI?

Шероховатость меди

Начнём с первого нашего вопроса. На частотах, где глубина скин эффекта (skin depth) сравнима с размерами неровностей, ток концентрируется в выступах, путь тока удлиняется, и сопротивление растёт. Именно этот эффект первым подробно описал и количественно оценил Huray вместе с практическими измерениями на печатных платах.

Какие бывают типы фольги? В промышленности чаще всего встречаются две большие семьи: электроосажденная (electrodeposited, ED) медь и прокатная (rolled) или обработанная (reverse treated / low‑profile) фольга. ED‑медь обычно даёт «высоко профильную» текстуру с заметными гранулами и выступами; прокатная и низкопрофильная фольга — более «ровную» структуру с мелкими волнами.

ED (electrodeposited) фольга формируется электроосаждением меди на вращающийся барабан. Рост идёт дендритно‑столбчатый, зёрна ориентированы преимущественно перпендикулярно плоскости фольги. В результате одна сторона (drum side) получается относительно гладкой — она повторяет поверхность барабана, а противоположная (matte side) имеет выраженный рельеф, обусловленный ростом кристаллов. Именно эта «матовая» сторона исторически обеспечивала хорошую адгезию к диэлектрику, но одновременно давала повышенную шероховатость.

На высоких частотах такой «рельеф» увеличивает эффективную длину пути тока. При skin depth порядка единиц микрон (например, около 0,7–1 мкм на десятках гигагерц) масштаб неровностей становится сопоставимым с глубиной проникновения, и рост потерь становится существенным. Это показано в работах Huray, Cannon и других авторов, где потери на грубой ED‑меди могут увеличиваться на десятки процентов по сравнению с гладкой поверхностью.

Прокатная (rolled) фольга изготавливается прокаткой массивной медной заготовки с последующим отжигом. Микроструктура при этом становится более пластичной, зёрна вытянуты в плоскости фольги, текстура более «волнообразная», а не дендритная. Поверхность значительно более гладкая уже на уровне процесса, без необходимости сильного «текстурирования» для адгезии.

Как эту шероховатость моделируют на практике. Есть простые эмпирические поправки к потерям, например Hammerstad, дающая простую коррекцию, но до частот 4–5 ГГц. Есть более физически мотивированные модели — например, Huray «snowball» model, где поверхность аппроксимируют стеком сфер и суммируют вклад каждой «сферы» в потери вплоть до 40–50 ГГц. Hammerstad удобен и даёт быстрые оценки. В свою очередь Huray точнее, но для точной модели нужны более сложные вычисления.

Для высокоскоростных линий (10+ Гбит/с и выше, миллиметровые волны) выбор фольги с низким профилем заметно снижает потери и стабилизирует импеданс. На частотах десятков гигагерц это уже не вторичный эффект. При δ ~ 0,7 мкм неровности порядка 2–5 мкм означают, что ток «обтекает» рельеф, а не течёт по плоской поверхности. В измерениях показывают увеличение кондуктивных потерь на 50–100% при переходе от VLP к стандартной ED‑фольге при прочих равных условиях. («Ambiguous Influences Affecting Insertion Loss of Microwave Printed Circuit Board» John Coonrod)

Кроме того, шероховатость влияет на извлечение диэлектрических параметров. Если не учесть вклад поверхности, часть потерь ошибочно приписывается диэлектрику, и вы получаете завышенный Df. В ряде публикаций подчёркив��ется, что при частотах выше 20 ГГц ошибка в определении Df может быть сопоставима с его номинальным значением.

Теперь к практике и ответу на вопрос! Докажу это на примере диэлектриков Rogers. Вопрос шероховатости настолько непрост, что многие даже не пытаются в него вникать. Возьмем, к примеру, материал RO4350B. Для примера возьмем материал RO4350B. Открывая обычные спецификации на ту или иную линейку, вы вряд ли найдете параметр шероховатости, поэтому продолжаем поиск и откроем общую спецификацию «High Frequency Electronics Product Selector Guide», где и находим таблицу шероховатости.

А теперь фокус, для RO4350B есть целых 3 разных вида фольги, имеющие разную шероховатость. А теперь спрошу вас еще раз, вы точно знаете шероховатость своей меди? Вряд ли вы при запросе у своего производителя печатных плат уточняете, а какая именно медь у этого диэлектрика.

Вы можете идеально смоделировать стек, задать точный Dk, учесть толщину меди, но, если в расчёте была HVLP, а в производстве оказалась стандартная ED — разница в потере может быть больше, чем вся ваша «тонкая» оптимизация.

Так же стоит кратко сказать, что с «core» плюс минус можно понять все, но для многослойных цифровых плат используется структуры с большим количеством «prepreg» на которые добавляется фольга (особенно на внешних слоях). Кто знает, какую фольгу использует производитель? Я лично даже не знаю инженеров в отечественных компаниях, кто прямо пишет в бланке тип фольги, но даже если вы написали, сможете ли вы узнать реальные значения. Работая с документацией от заводов производителей из Китая, которую они предоставляют с партией плат, параметр шероховатости у меди на каждом слое вы не найдете плюс минус никогда (из 4 компаний посредников, с которыми работал, точные значения не указаны ни у кого). Хотя изредка можно встретить значение шероховатости, но как ее померили и где, вопрос очень открытый.

Бонусом скажем, что узнать реальные значения шероховатости меди найти в документации производителей почти невозможно. На практике, кроме Rogers никто не дает числа, вы можете найти только типы ED, VLP, HVLP и так далее Скажу честно, я пытался найти нормативные акты и стандарты, которые регламентируют точные цифры, к каждому из типов, но все тщетно. Поэтому все это только пальцем в небо и просто базовое понимание какая медь используется у вас и что ED медь хуже, чем VLP.

Переходные отверстия

Эта тема тоже вытекает из предыдущей. Все мы отлично знаем структуру наших переходных отверстий, даже скорее всего знаем параметры осажденной меди внутри переходного отверстия и высоту остаточного stub при backdrill. А вот правда ли мы знаем все что надо?

Влияние анизотропии диэлектрика на параметры via часто переоценивают, если не учесть два дополнительных фактора: шероховатость внутренней поверхности via и изменение фактической прессованной толщины слоёв. Оба фактора увеличивают эффективную проницаемость и временную задержку вокруг via, и, как следствие, занижают корреляцию между «чисто материалом» и измерениями в тестовых via. Еще можно вспомнить, что некоторые переходные отверстия заполняют компаундом, чьи свойства и параметры зачастую вообще никого не интересуют. («The Imperfect Via: The Rough Truth Lurks Beneath the Surface» Bert Simonovich)

Механизмы и количественные примеры.

· Via‑wicking: при сверлении и медном осаждении медь «втягивается» в трещины/кластеры стеклоткани — это увеличивает фактический наружный диаметр заполненного медью отверстия и концентрирует E‑поле. HFSS‑симуляция показывает прирост емкость via до ~2.6% только от такого профиля (рис.7 в статье). IPC-600 даёт ориентиры по допустимой «wicking» (примерно 125 µm для Class1, ~80 µm для Class3).

· Via‑roughness: модели типа Huray в сочетании с причинно‑корректной моделью Bracken показывают, что шероховатость добавляет не только емкость, но и самоиндуктивность. В моделях Simonovich при эквивалентном Rz ≈10 µm вклад от roughness к проницаемости может дать несколько процентов (~1–2%), а совокупный эффект с изменённой толщиной слоёв приводит к увеличению на ~8% в конкретном кейсе.

· Via‑capacitance: Структура переходного отверстия напоминает коаксиальную конструкцию, в ней отсутствует сплошной экран. Вместо этого, заземляющие переходные отверстия (GND‑отверстия) и отверстия для antipad ограничивают электромагнитные поля внутри диэлектрической полости между опорными плоскостями. Как показано на рисунке, структура переходного отверстия включает локализованные электромагнитные поля, но не полностью их ограничивает.

А теперь вернемся к первой картинке про переходные отверстия, мы увидим, что из‑за допусков на производстве antipad на разных слоях будут выглядеть по‑разному, а следовательно, и распространение магнитных полей будет меняться, а результат становиться более непредсказуемым.

«Симметричный» stack-up

Мне кажется, многие знают про необходимость симметричного stack‑up, но не все задумывается о том, что он должен быть симметричен не только по толщине, а и по свойствам материала, а в идеале и прям по материалам.

Давайте возьмем stack‑up в какой‑то степени классический для СВЧ, где все аналоговые линии идут сверху на условном RO4350B, а на внутренних слоях и внизу управление и питание (толщины условны):

  • RO4350B – 0,508 мм

  • IT-180ABS – 0,2 мм

  • IT-180 ATC – 0,51 мм

Не симметричность рассчитаем, как толщина RO4350B/общая толщина ПП. Тогда получаем 0,5/1,2=0,41. Толщины на самом деле любые, нам самое главное, показать разницу при больших значениях несимметричности. Значения CTE для IT-180 10–13 ppm/C, а для RO4350B 14–16 ppm/C. Значения Thermal Conductivity для IT-180 не дано, но для оценки возьмем 0,35 W/m/°K как среднее по FR-4, а для RO4350B оно 0,62 W/m/°K.

Почему же разница в материалах так критична? Главный виновник — это коэффициент термического расширения (КТР или CTE). Представьте, что два слоя с разным КТР склеены друг с другом. При нагреве в процессе прессования или пайки один слой хочет расшириться сильнее другого, и в материале возникают колоссальные внутренние напряжения. Особенно коварна анизотропия свойств: у FR4 КТР в плоскости платы (X‑Y) может быть близок к меди (14–17 ppm/°C), но по вертикали (Z‑ось) он взлетает до 50–70 ppm/°C, а то и выше. Если ваш пирог собран из материалов с разными «температурными характерами», напряжения при термоциклировании будут зашкаливать. Временные градиенты температур при оплавлении могут достигать 50°C между разными участками платы, что в сочетании с анизотропией КТР приводит к тому, что изгиб (bow) может различаться на разных сторонах платы в шесть и более раз.

Последствия такого коробления выходят далеко за рамки проблем с монтажом. Во‑первых, это чисто механический эффект: согласно стандарту IPC‑A-600, допустимое коробление не должно превышать 0.75%. Полученные эмпирические 0.6–0.7% для несимметричных стеков — это красная зона, где велик риск «надгробий» (tombstoning) и непропаев из‑за неплотного прилегания платы к оправке, особенно для BGA. Постоянные механические напряжения в диэлектрике и меди, возникающие при деформации, изменяют их электрофизические свойства, внося непредсказуемые искажения в работу скоростных линий.

На основе своего опыта и эмпирических зна��ений после анализа документации на десятки плат, было выявлено следующие:

Средние значение «bow and twist» при полном симметричном stack‑up в районе 0.25–0.3%. Средние значения при симметричном по толщине, но не по материалам stack‑up на основе RO4350B будет в районе 0.6–0.7. Неожиданно да?

А теперь оговорки. Баланс меди был соблюден на всех платах, а те, где это не соблюдалось не были включены в расчет. В расчетах не учитывались платы, где толщина несимметричности материала не превышала 30%, в таких платах отклонения от полной симметрии минимальна. А еще, что я сделал самое коварное, я не учитывал платы, где разница в КТР (CTE) по любым осям была меньше примерно 20%, там, где оно было меньше отклонения от полной симметрии тоже минимальна.

Исследуя этот вопрос, на сайтах некоторых производителей мы можем узнать, что проблема имеет решения. Например, производитель может заложить правки в процесс прессования, дабы учесть те негативные эффекты, о которых мы говорили и приблизиться к значениям 0,3%. Делает ли он так, когда им приходит печатная плата с нашим условным stack‑up? Никто не знает. Зачастую им важно лишь уложиться в допуск, а что будет дальше им неважно, а для монтажа потом, значения близкие к 0,7% могут стать большим вызовом для монтажа.

Бонус! «Bow and twist» печатной платы может вызвать не только проблемы в монтаже, но и для нашего SI. Мне давненько попалась статья, где косвенно идет речь про влияние на SI при больших значениях «bow and twist», когда напряжения внутри диэлектриков и меди возрастает в разы. Там, конечно, речь идет о десятках процентов, но этого достаточно для предположения, что влияние существует и измеряется не десятыми долями процента, а куда более существенными величинами. («Ultra flexible RF electronics: performance study of lines and antennas» Rafael Peres Morais).

Заключение

Хотелось бы сказать, что зачем нам тогда все эти моделирования, все равно готовая печатная плата будет с совершенно другими характеристиками, но нет. Конечно, составлять супер точные продвинутые модели, учитывающий каждый фактор задача очень непростая, требующая огромных умственных и вычислительных мощностей. В 90% случаях этого не требуется, нас может устроить и какие-то базовые вещи, например узнать и заложить модель шероховатости для меди, заложить диэлектрическую проницаемость для компаунда в via и более точную толщину осажденной меди, заложить побольше допуск на «не учтенные» параметры.