銅箔粗糙度——會(huì )有這么大影響么？

編者注：拋磚引玉：在高速電路設計中，我們常常關(guān)注的是芯片的驅動(dòng)能力、PCB介質(zhì)的介電常數、介質(zhì)損耗角、連接器、線(xiàn)纜等等，其實(shí)導體（銅）的表面粗糙度的影響也很大，特別是當信號的速率越來(lái)越高的時(shí)候。所以在高速電路設計中，每一個(gè)與電路相關(guān)的因素都很重要。

在高速電路設計中，鏈路中的每一個(gè)參數都有可能導致傳遞的信號出問(wèn)題。今天就和大家分享一個(gè)平常大家不太注意的參數。

先回顧下在中學(xué)的時(shí)候，咱們學(xué)習的一個(gè)概念，趨膚效應：當信號的頻率較越來(lái)越高時(shí)，信號都會(huì )趨向于導體的表面傳遞。這樣就會(huì )導致信號流過(guò)導體的相對有效面積變小，從電阻的角度來(lái)分析，這就會(huì )導致電阻增加，導致傳遞能量的損失。

在電子產(chǎn)品使用的PCB，基本都是由銅箔和有機材料組成的，如下圖所示：

我們平時(shí)看到的銅箔，表面上看起來(lái)都是非常光滑的，實(shí)際上并不如你肉眼所見(jiàn)的那樣，銅箔并不是完全光滑的，其在金相顯微鏡下如下圖所示：

為了更加的容易理解，給大家做一個(gè)示意圖，如下圖所示：

銅箔的表面都是有很多銅牙存在的。目前小編沒(méi)有發(fā)現非常官方的數據說(shuō)明普通的銅牙到底有多長(cháng)，據小編看到的普通的銅箔，沒(méi)有經(jīng)過(guò)處理的銅牙（銅箔粗糙度）一般都是在20～30um左右。當然，常規的根據銅箔粗糙度的厚度（系數）不同，目前有標準銅箔、反轉銅箔、低粗糙度銅箔和超低粗糙度銅箔之分。

前面說(shuō)到，銅箔的粗糙度會(huì )影響到信號完整性，那么我們就來(lái)做一個(gè)實(shí)驗看看。原理圖如下所示，把銅箔粗糙度的設置為一個(gè)變量，初始值為0，仿真的速率為10Gbps：

分別查看其眼圖和波形，如下所示：

從結果可以看到：眼圖的寬度為97ps，高度為0.652V，信號的峰值為0.479V。

那么，接下來(lái)，逐步改變銅箔粗糙度的厚度，觀(guān)察眼圖的變化，分別仿真銅箔粗糙度為5um、10um、15um和20um的情況，眼圖和波形分別如下所示：

當粗糙度為5um的時(shí)候，眼圖的寬度為94.5ps，高度為0.532V。

當粗糙度為10um的時(shí)候，眼圖的寬度為93ps，高度為0.499V。

當粗糙度為15um的時(shí)候，眼圖的寬度為91ps，高度為0.424V。

當粗糙度為20um的時(shí)候，眼圖的寬度為88.5ps，高度為0.370V。

從以上的結果，咱們可以看到當銅箔粗糙度的系數（厚度）增加時(shí)，眼圖的的margin越來(lái)越小，抖動(dòng)（Jitter）越來(lái)越大。

有的工程師經(jīng)常會(huì )問(wèn)到這樣一個(gè)問(wèn)題：當信號的速率為多少的時(shí)候，在實(shí)際項目工程中需要考慮銅箔粗糙度的影響。我的答案是，任何時(shí)候考慮都是必要的。但是綜合成本和效果來(lái)考慮的話(huà)，當信號速率超過(guò)5G以上的時(shí)候，就應當適當的考慮銅箔的選擇問(wèn)題（如果設計要求不高，也可以不考慮）。

所以，當信號的速率越來(lái)越高的時(shí)候，我們不僅僅需要關(guān)注芯片的驅動(dòng)能力、PCB介質(zhì)的介電常數、介質(zhì)損耗角、連接器、線(xiàn)纜等等，還需要考慮到導體（銅）的表面粗糙度的影響。