Минимизация потерь при передаче сигнала в высокочастотных цепях

Объем информации, передаваемой по беспроводным сетям, резко увеличился с развитием технологий. Передача высокоскоростного радиосигнала все чаще требуется в печатных платах. Скорость передачи сигналов, распространяющихся внутри системы, увеличивается, а с ростом частоты увеличиваются и потери сигнала на печатной плате.

Вносимые потери — это потери мощности сигнала в результате включения устройства в линию передачи или оптическое волокно, которые измеряются в децибелах. Вносимые потери могут привести к ухудшению качества сигналов или ошибкам в битах с более высокой скоростью.

Все материалы для печатных плат имеют как проводящие, так и диэлектрические потери радиочастотного сигнала. В статье автор исследует резистивные потери проводимости в медном слое, используемом в печатной плате. Исследование потерь при передаче включает построение графика электрического поведения (матрицы рассеяния), измеряемого в дБ (см. график в оригинале статьи).

Рассмотрены основные факторы, влияющие на минимизацию потерь при передаче сигнала: 

• скин-эффект, при котором высокочастотный ток не проникает глубоко в электрические проводники, а имеет тенденцию течь по их поверхностям;

• шероховатость поверхности меди (делается специально для улучшения адгезии проводника к диэлектрику в многослойных структурах);  

• Вносимые потери и качество обработки поверхности.

Ток высокой частоты (ВЧ), в отличие от постоянного и переменного тока, проходящих по всей площади сечения проводника, имеет свойство распространяется в поверхностном слое оного – в соответствие с так называемым скин-эффектом. Ослабление сигнала в проводящем слое меди напрямую связана с явлением "скин-эффекта". Глубина скин-слоя — это приповерхностный объём проводника, по которому проходит ток высокой частоты (ВЧ). Собственно, с увеличением частоты глубина скин-слоя уменьшается.

Два явления, которые оказывают непосредственное влияние на вносимые потери из-за "скин-эффекта", — это степень шероховатости меди и характер используемой обработки поверхности. Такие покрытия, как ENIG (иммерсионное золото с подслоем химического никеля) и ENEPIG (иммерсионное золото с подслоем из никеля и палладия), характеризуются большими вносимыми потерями из-за резистивных свойств химического никеля по сравнению с медью. С точки зрения минимальных вносимых потерь в ВЧ приложениях более предпочтительными являются такие более современные процессы, как EPIG (иммерсионное золото с подслоем химического палладия) и IGEPIG (предварительная обработка, 1 слой EL-Au r, 2-й слой EL-Pd и 3-й слой EL-Au).

Для улучшения адгезии проводника к диэлектрику в многослойных структурах на медной поверхности химическими или механическими способом специально создаётся шероховатость, чем обеспечиваются места крепления для смолы. Это приемлемо для приложений, не использующих ВЧ ток, а также хорошо при распространении сигналов ВЧ на более низких частотах. Однако глубина скина-эффекта уменьшается с приближением частоты к 10 ГГц или выше. При глубине скин-эффекта равной или меньшей шероховатости поверхности меди растёт как удельное сопротивления цепи, так потери в проводнике, а также происходит изменение откликов системы при различном сдвиге фазового угла. Прохождение электрических сигналов с увеличением частоты стремится все ближе к поверхности медного проводника. Это приводит к увеличению удельного сопротивления и потерям при передаче. Схемы с более шероховатой медной поверхностью будут иметь большие потери, чем схемы, с более гладкой медной поверхностью. Точнее говоря, применительно к потерям в проводнике предметом озабоченности является шероховатость – поверхность меди на границе раздела подложка-медь.  Последние разработки по увеличению адгезии в многослойных платах выходят за рамки стандартной шероховатости, создаваемой черно-коричневым оксидом. В настоящее время внутренние слои, по большей части, полагаются на химическое травление, обеспечивающее необходимую микрошероховатость дорожек для максимального сцепления.  Однако минимизация потерь сигнала в проводнике не может исчерпываться вопросом создания микрошероховатости. Химическое сцепление становится основным методом адгезии дорожек, по которым осуществляется распространение высокочастотных RF-сигналов; оно также очень эффективно на гладких медных поверхностях.

Одна из предлагающихся в настоящее время систем химического сцепления основана на использовании иммерсионного олова с последующей обработкой связующим силановым агентом. Обработка, обычно осуществляемая в горизонтальном конвейерном оборудовании, обеспечивает превосходную адгезию между проводником и диэлектриком. Согласно источнику: "Исследования показали, что типы медной фольги с различной степенью шероховатости оказывают прямое влияние на вносимые потери в полосковой конструкции.". Поставщики химических материалов предлагают новые методы обработки, направленные на снижение вносимых потерь в проводниках и минимизацию шероховатости поверхности".

Портативные устройства являются ключевым фактором миниатюризации для разработчиков схем. Для многих из этих приложений ширина токопроводящих дорожек и расстояние между ними нормируется. Кроме того, задача монтажа проволочных выводов привлекает внимание к методам обработки поверхности ENIG и ENEPIG, которые начинают сталкиваться с ограничениями при передаче RF-сигналов на высоких частотах – от 10 ГГц и выше. Подслой химического никеля является неотъемлемой частью поверхности проводника. По сравнению с медью, потери при передаче связаны со скин-эффектом в подслое химического никеля.

В настоящее время доступны новые виды обработки поверхности для передачи сигналов ВЧ, устраняющие или уменьшающие использование химического Ni, наиболее распространенными из которых на сегодняшний день является EPIG. В данной же статье основное внимание уделено вносимым потерям.

После задания начальных условий, осуществляется измерение новой характеристики с учетом введения испытываемого устройства. Разница определяется в дБ как потери на передачу или вносимые потери. В статье сравниваются вносимые потери при обработке поверхности никелем (два варианта ENEPIG и один ENIG), химическим никелем (тонкий подслой никеля ENEPIG) и без никеля (EPIG и IGEPIG). Толщина тонкого слоя химического никеля ENEPIG составляем всего 4,0 uins (0,1 мкм). Являясь разновидностью IGEEPIG, в EPIG для инициирования осаждения химического палладия на медную поверхность используется катализатор иммерсионного палладия; в IGEPIG для осаждения химического палладия в качестве катализатора используется иммерсионный слой золота. На одну дорожку линии передачи сопротивлением 50 Ом (250 мм в длину и 0,52 мм в ширину) осаждались разные поверхностные слои. В качестве измерительного оборудования использовалась установка VNA 2VA67 (Rhode и Schwartz). Согласно полученному графику и данным итоговой таблицы, вносимые потери поверхности с низким содержанием никеля и безникелевым Au покрытием демонстрируют значительное улучшение величин вносимых потерь по сравнению с толстыми (120-240 uin или 3-6 мкм) Ni-Au покрытиями. Рост частоты передачи RF-сигналов неизбежен, так как промышленность продолжает развитие в направлении передачи больших массивов данных и миниатюризации. Поскольку в печатные платы на этапе проектирования закладываются радиочастоты 10 и более ГГц, необходимо обеспечение дополнительного запаса по минимизации потерь на передачу с учетом шероховатости медной поверхности и типа используемого покрытия.