Die Leiterplattenindustrie hat viel Zeit in die Entwicklung von Materialien mit möglichst geringem Signalverlust investiert. Bei Hochgeschwindigkeits- und Hochfrequenzdesigns begrenzen Verluste die Signalausbreitungsdistanz und verzerren Signale. Zudem entsteht eine Impedanzabweichung, die in TDR-Messungen sichtbar wird. Bei der Entwicklung von Leiterplatten und Schaltkreisen für höhere Frequenzen ist es verlockend, bei allen Designs möglichst glattes Kupfer zu wählen.

Zwar führt raues Kupfer zu zusätzlichen Impedanzabweichungen und Verlusten, aber wie glatt muss Ihre Kupferfolie wirklich sein? Gibt es einfache Methoden, um Verluste zu vermeiden, ohne für jedes Design ultraglattes Kupfer wählen zu müssen? Wir gehen in diesem Artikel auf diese Punkte ein und erklären, worauf Sie beim Kauf von PCB-Stackup-Materialien achten sollten.

Arten vonPCB-Kupferfolie

Wenn wir über Kupfer auf Leiterplattenmaterialien sprechen, geht es normalerweise nicht um die spezifische Kupferart, sondern nur um die Rauheit. Verschiedene Kupferabscheidungsverfahren erzeugen Schichten mit unterschiedlichen Rauheitswerten, die sich in einem Rasterelektronenmikroskop (REM) deutlich unterscheiden lassen. Wenn Sie mit hohen Frequenzen (normalerweise 5 GHz WLAN oder höher) oder hohen Geschwindigkeiten arbeiten, achten Sie auf die Kupferart, die in Ihrem Materialdatenblatt angegeben ist.

Stellen Sie außerdem sicher, dass Sie die Bedeutung der DK-Werte in einem Datenblatt verstehen. Sehen Sie sich diese Podcast-Diskussion mit John Coonrod von Rogers an, um mehr über DK-Spezifikationen zu erfahren. Vor diesem Hintergrund werfen wir einen Blick auf einige der verschiedenen Arten von PCB-Kupferfolie.

Galvanisch abgeschieden

Bei diesem Verfahren wird eine Trommel durch eine Elektrolytlösung geschleudert, und durch eine galvanische Reaktion wird die Kupferfolie auf der Trommel „aufgewachsen“. Während sich die Trommel dreht, wird der entstehende Kupferfilm langsam auf eine Walze gewickelt, wodurch eine durchgehende Kupferfolie entsteht, die später zu einem Laminat gerollt werden kann. Die Trommelseite des Kupfers entspricht im Wesentlichen der Rauheit der Trommel, während die freiliegende Seite deutlich rauer ist.

Galvanisch abgeschiedene PCB-Kupferfolie

Herstellung von galvanisch abgeschiedenem Kupfer.
Für die Verwendung in einem Standard-Leiterplattenherstellungsprozess wird die raue Seite des Kupfers zunächst mit einem Glas-Harz-Dielektrikum verbunden. Das verbleibende freiliegende Kupfer (Trommelseite) muss vor der Verwendung im Standard-Kupferkaschierungs-Laminierungsprozess gezielt chemisch aufgeraut werden (z. B. durch Plasmaätzen). Dadurch wird sichergestellt, dass es mit der nächsten Schicht im Leiterplattenaufbau verbunden werden kann.

Oberflächenbehandeltes galvanisch abgeschiedenes Kupfer

Ich kenne nicht den besten Begriff, der alle verschiedenen Arten von Oberflächenbehandlungen umfasstKupferfolien, daher die obige Überschrift. Diese Kupfermaterialien sind am besten als rückseitig behandelte Folien bekannt, obwohl zwei weitere Varianten erhältlich sind (siehe unten).

Bei rückseitig behandelten Folien wird die glatte Seite (Trommelseite) eines galvanisch abgeschiedenen Kupferblechs oberflächenbehandelt. Eine Behandlungsschicht ist lediglich eine dünne Schicht, die das Kupfer gezielt aufraut, um eine bessere Haftung an einem Dielektrikum zu gewährleisten. Diese Behandlungen wirken zudem als Oxidationsbarriere und verhindern so Korrosion. Bei der Herstellung von Laminatplatten wird die behandelte Seite mit dem Dielektrikum verbunden, die raue Seite bleibt frei. Die freiliegende Seite muss vor dem Ätzen nicht zusätzlich aufgeraut werden, da sie bereits ausreichend stark ist, um mit der nächsten Schicht im PCB-Aufbau zu haften.

Drei Varianten der rückseitig behandelten Kupferfolie sind:

Hochtemperaturdehnungskupferfolie (HTE): Dies ist eine galvanisch abgeschiedene Kupferfolie, die den Spezifikationen IPC-4562 Grad 3 entspricht. Die freiliegende Seite ist außerdem mit einer Oxidationsbarriere behandelt, um Korrosion während der Lagerung zu verhindern.
Doppelt behandelte Folie: Bei dieser Kupferfolie wird die Behandlung auf beiden Seiten der Folie durchgeführt. Dieses Material wird manchmal als trommelseitig behandelte Folie bezeichnet.
Widerstandskupfer: Dies wird normalerweise nicht als oberflächenbehandeltes Kupfer klassifiziert. Bei dieser Kupferfolie wird die matte Seite des Kupfers mit einer Metallbeschichtung überzogen und anschließend auf das gewünschte Maß aufgeraut.
Die Anwendung der Oberflächenbehandlung bei diesen Kupfermaterialien ist unkompliziert: Die Folie wird durch zusätzliche Elektrolytbäder gerollt, in denen eine sekundäre Kupferbeschichtung aufgetragen wird, gefolgt von einer Barriere-Keimschicht und schließlich einer Anlaufschutzschicht.

PCB-Kupferfolie

Oberflächenbehandlungsverfahren für Kupferfolien. [Quelle: Pytel, Steven G., et al. „Analyse von Kupferbehandlungen und deren Auswirkungen auf die Signalausbreitung.“ 58. Konferenz für elektronische Komponenten und Technologie 2008, S. 1144–1149. IEEE, 2008.]
Mit diesen Verfahren verfügen Sie über ein Material, das mit minimaler zusätzlicher Verarbeitung problemlos im Standardprozess der Platinenherstellung verwendet werden kann.

Gewalztes, geglühtes Kupfer

Bei gewalzten Kupferfolien wird eine Rolle Kupferfolie durch ein Walzenpaar geführt, das das Kupferblech auf die gewünschte Dicke kaltwalzt. Die Rauheit des resultierenden Folienblatts variiert je nach Walzparametern (Geschwindigkeit, Druck usw.).

Das resultierende Blech kann sehr glatt sein, und auf der Oberfläche des gewalzt-geglühten Kupferblechs sind Streifen sichtbar. Die folgenden Bilder zeigen einen Vergleich zwischen einer galvanisch abgeschiedenen Kupferfolie und einer gewalzt-geglühten Folie.

Vergleich von PCB-Kupferfolien

Vergleich von galvanisch abgeschiedenen und gewalzt-geglühten Folien.
Flaches Kupfer
Dies ist nicht unbedingt eine Kupferfolie, die Sie mit einem alternativen Verfahren herstellen würden. Low-Profile-Kupfer ist galvanisch abgeschiedenes Kupfer, das durch ein Mikroaufrauhungsverfahren behandelt und modifiziert wird, um eine sehr geringe durchschnittliche Rauheit mit ausreichender Aufrauung für die Haftung auf dem Substrat zu erzielen. Die Verfahren zur Herstellung dieser Kupferfolien sind in der Regel proprietär. Diese Folien werden häufig als Ultra-Low-Profile (ULP), Very-Low-Profile (VLP) und Einfach-Low-Profile (LP, ca. 1 Mikrometer durchschnittliche Rauheit) kategorisiert.

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