高速互聯損耗之導體損耗-華普通用

高速互聯損耗是造成信號完整性問題的主要原因，損耗一般由四部分組成：損耗(導體損耗和介質損耗)、反射、串擾和差分傳輸中的模式轉換。銅導體損耗是互連損耗中的一種，本文主要來分析導體損耗的影響因素。

所有以1 Gbps及更高速率運行的高速電子產品都受到互連中與頻率有關的損耗的影響。如果不考慮這些因素，很可能您的產品無法正常工作。這些與頻率有關的損耗會將發送端的漂亮眼圖變成接收端的完全閉合的眼圖。

設計經濟高效的系統是所需性能與功耗、成本、風險和時間成本之間的微妙平衡。盡管采用均衡可以協助眼圖張開，但這是以更高的功耗為代價的。

在損耗占主導的系統中，系統的性能受到基本的物理限制，當設計受到損耗的限制時，要考慮所有可用選項，以降低系統的損耗。通常，只有兩種選擇：較低的耗散因子Df的板材和與理想銅性能盡可能接近的銅箔。

這些市場力量一直在驅動PCB供應商提供具有越來越低耗散因子的板材，相同的力量推動銅箔供應商，正在開發性能幾乎與理想銅相同的銅箔。

銅導線每單位長度串聯電阻的頻率依賴性取決于三個因素：

• 銅電導率

• 線寬

• 表面光滑度

  
  

趨膚效應

影響銅損的頻率依賴性的首要因素是趨膚效應，隨著頻率的提高，這會導致電流在信號路徑和返回路徑中重新分布，意味著電流流經的橫截面變小，阻抗變大。

我們可以阻抗的角度分析趨膚效應，趨膚效應可以認為是電流尋求最低阻抗路徑的趨勢造成的。

在DC時， 阻抗主要由電阻性阻抗決定，導體內部和外部的阻抗是一樣的，電流均勻分布在導體橫截面上，各處的電流密度都是一樣的，

但是當輸入交流信號時， 路徑阻抗主要由回路電感決定，導體內部路徑的電感更大，感性阻抗越大，為尋找回路電感最低路徑，電流在導線上的分布會趨向導體的表面。
趨膚深度可以通過下面的公式來計算，串聯電阻和頻率的平方根成正比。

銅箔表面光滑度的影響

長期以來，我們認為表面有紋理或粗糙的銅會增加額外的損耗，最近推出的SI-VSP（非常光滑）銅箔，可能已經是銅光滑的極限。

在大約3 GHz以上，增加的銅導線串聯電阻，比僅依據趨膚效應預期的要多。這與銅的粗糙度有關，在較高的頻率下，表面粗糙的銅可比理想的光滑銅所預期的損耗多一倍。

銅箔生產的目標是開發一種經濟高效的方法，使銅足夠光滑，不會增加額外的損耗，但仍與PCB化學相容，以提供足夠的附著力、機械性能和蝕刻質量

最近發布的SI-VSP銅箔，已接近理想的光滑銅性能，下圖是其電沉積（ED）銅箔的鏡面光滑表面紋理與其他傳統ED工藝中的啞光表面處理相比的示例。

 這項創新是通過新的電鍍化學和工藝來設計電沉積銅箔的晶粒結構的結果。

SI-VSP銅箔成本最高，但表面也最平滑，損耗也最低。VSP鋁箔的第一個版本于2012年推出。在過去的七年中，VSP銅箔的化學技術取得了進步， SI-VSP的表面輪廓均方根（Rz）約為0.5微米。

下圖顯示了不同等級VSP銅箔的不同結節結構和所產生的表面紋理對損耗的影響。

銅表面越光滑，損耗越小，直接的結果是，降低了電路板表面的機械粘附力。 為了補充機械附著力，箔紙出廠前已進行了三種表面處理。

進行結節處理以增加與表面的粘合，然后，將鉻酸鋅合金鍍在銅的表面上，這樣可提供化學活性更高的表面，以實現更好的附著力，但不會改變表面紋理。然后，將充當粘合促進劑的硅烷偶聯劑涂覆在表面上。這些為不同的電路板化學材料定制的材料，將與電路板的粘合力提高到至少3 lb/ in的強度，它們還有助于電路板制造過程中光致抗蝕劑的附著。

硅烷偶聯增粘劑既有助于與層壓材料的粘合，又有助于電路板制造中光致抗蝕劑的粘合。這意味著可以更好地控制線寬，并且在需要時可以蝕刻更細的線。

不同等級的VSP銅箔都具有不同的表面紋理，對應不同的粗糙損耗以及不同的成本。當選擇可接受的低損耗的最低成本箔片時，這可以在成本-性能折衷之間實現更好的平衡。這也是為什么精確的建模工具不僅對探索互連結構的性能，而且對性價比之間的平衡至關重要的另一個原因。

總結

隨著新的SI-VSP銅箔的推出，銅損已達到極限。減少銅損的唯一方向就是增加線寬。在邁向更高數據速率的過程中，這將成為成本性能權衡的重要因素.