อุตสาหกรรมวัสดุ PCB ได้ใช้เวลาอย่างมากในการพัฒนาวัสดุที่ให้การสูญเสียสัญญาณต่ำที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ สำหรับงานออกแบบความเร็วสูงและความถี่สูง การสูญเสียจะจำกัดระยะการแพร่กระจายของสัญญาณและทำให้สัญญาณผิดเพี้ยน และจะสร้างความเบี่ยงเบนของอิมพีแดนซ์ที่สามารถมองเห็นได้ในการวัด TDR เมื่อเราออกแบบแผงวงจรพิมพ์และพัฒนาวงจรที่ทำงานที่ความถี่สูงขึ้น อาจเป็นเรื่องที่น่าดึงดูดใจที่จะเลือกใช้ทองแดงที่เรียบที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ในการออกแบบทั้งหมดที่เราสร้างขึ้น

แม้ว่าความหยาบของทองแดงจะทำให้เกิดการเบี่ยงเบนของอิมพีแดนซ์และการสูญเสียเพิ่มเติม แต่แผ่นฟอยล์ทองแดงของคุณจำเป็นต้องเรียบแค่ไหนกันแน่? มีวิธีง่ายๆ บางอย่างที่คุณสามารถใช้เพื่อลดการสูญเสียโดยไม่ต้องเลือกใช้ทองแดงที่เรียบมากเป็นพิเศษสำหรับทุกการออกแบบหรือไม่? เราจะมาดูประเด็นเหล่านี้ในบทความนี้ รวมถึงสิ่งที่คุณควรพิจารณาหากคุณเริ่มเลือกซื้อวัสดุสำหรับแผ่นวงจรพิมพ์ (PCB)

ประเภทของแผ่นฟอยล์ทองแดง PCB

โดยปกติแล้ว เมื่อเราพูดถึงทองแดงในวัสดุ PCB เราจะไม่พูดถึงชนิดของทองแดงโดยเฉพาะ แต่จะพูดถึงความหยาบของพื้นผิวเท่านั้น วิธีการเคลือบทองแดงที่แตกต่างกันจะสร้างฟิล์มที่มีค่าความหยาบต่างกัน ซึ่งสามารถแยกแยะได้อย่างชัดเจนในภาพจากกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบสแกน (SEM) หากคุณจะใช้งานที่ความถี่สูง (โดยปกติคือ WiFi 5 GHz หรือสูงกว่า) หรือที่ความเร็วสูง ควรให้ความสำคัญกับชนิดของทองแดงที่ระบุไว้ในเอกสารข้อมูลวัสดุของคุณ

นอกจากนี้ อย่าลืมทำความเข้าใจความหมายของค่า Dk ในเอกสารข้อมูลจำเพาะด้วย ลองฟังพอดแคสต์สนทนากับ John Coonrod จาก Rogers เพื่อเรียนรู้เพิ่มเติมเกี่ยวกับข้อกำหนด Dk เมื่อเข้าใจเช่นนั้นแล้ว เรามาดูประเภทต่างๆ ของแผ่นฟอยล์ทองแดงสำหรับ PCB กัน

ชุบด้วยไฟฟ้า

ในกระบวนการนี้ ดรัมจะถูกหมุนผ่านสารละลายอิเล็กโทรไลต์ และใช้ปฏิกิริยาการตกตะกอนด้วยไฟฟ้าเพื่อ "สร้าง" แผ่นฟอยล์ทองแดงลงบนดรัม ขณะที่ดรัมหมุน ฟิล์มทองแดงที่ได้จะค่อยๆ ม้วนไปบนลูกกลิ้ง ทำให้ได้แผ่นทองแดงต่อเนื่องที่สามารถนำไปรีดเป็นลามิเนตได้ในภายหลัง ด้านที่สัมผัสกับดรัมของทองแดงจะมีพื้นผิวหยาบใกล้เคียงกับด้านที่สัมผัสกับดรัม ในขณะที่ด้านที่สัมผัสกับสารละลายจะหยาบกว่ามาก

แผ่นฟอยล์ทองแดง PCB เคลือบด้วยไฟฟ้า

การผลิตทองแดงด้วยกระบวนการชุบด้วยไฟฟ้า
เพื่อให้สามารถนำไปใช้ในกระบวนการผลิต PCB มาตรฐานได้นั้น ด้านหยาบของทองแดงจะต้องถูกเชื่อมติดกับฉนวนใยแก้วเรซินก่อน ส่วนทองแดงที่เหลือซึ่งเปิดโล่ง (ด้านดรัม) จะต้องถูกทำให้หยาบด้วยวิธีการทางเคมี (เช่น การกัดด้วยพลาสมา) ก่อนที่จะนำไปใช้ในกระบวนการเคลือบทองแดงมาตรฐาน เพื่อให้แน่ใจว่าสามารถเชื่อมติดกับชั้นถัดไปในโครงสร้าง PCB ได้

ทองแดงชุบไฟฟ้าที่ผ่านการปรับสภาพพื้นผิว

ฉันไม่รู้ว่าควรใช้คำใดที่เหมาะสมที่สุดเพื่ออธิบายพื้นผิวที่ผ่านการบำบัดทุกประเภทแผ่นฟอยล์ทองแดงดังนั้นจึงเป็นที่มาของหัวข้อข้างต้น วัสดุทองแดงเหล่านี้เป็นที่รู้จักกันดีในชื่อฟอยล์ที่ผ่านการบำบัดแบบย้อนกลับ แม้ว่าจะมีอีกสองรูปแบบให้เลือกใช้ (ดูด้านล่าง)

แผ่นฟอยล์ที่ผ่านการปรับสภาพพื้นผิวแบบกลับด้าน (Reverse treated foils) ใช้การปรับสภาพพื้นผิวที่ใช้กับด้านเรียบ (ด้านดรัม) ของแผ่นทองแดงที่เคลือบด้วยไฟฟ้า ชั้นปรับสภาพพื้นผิวเป็นเพียงการเคลือบที่บางมากซึ่งทำให้พื้นผิวทองแดงหยาบขึ้นโดยเจตนา เพื่อให้มีการยึดเกาะกับวัสดุฉนวนได้ดีขึ้น การปรับสภาพพื้นผิวนี้ยังทำหน้าที่เป็นเกราะป้องกันการเกิดออกซิเดชันและการกัดกร่อน เมื่อนำทองแดงนี้ไปใช้สร้างแผ่นลามิเนต ด้านที่ผ่านการปรับสภาพพื้นผิวจะยึดติดกับฉนวน และด้านหยาบที่เหลือจะยังคงเปิดโล่ง ด้านที่เปิดโล่งนี้ไม่จำเป็นต้องทำให้หยาบขึ้นอีกก่อนการกัดกรด เพราะจะมีแรงยึดเกาะเพียงพอที่จะยึดติดกับชั้นถัดไปในโครงสร้าง PCB แล้ว

แผ่นฟอยล์ทองแดงที่ผ่านการอบกลับด้านมี 3 รูปแบบ ได้แก่:

แผ่นฟอยล์ทองแดงยืดตัวที่อุณหภูมิสูง (HTE): นี่คือแผ่นฟอยล์ทองแดงที่ผลิตด้วยกระบวนการชุบด้วยไฟฟ้า ซึ่งเป็นไปตามข้อกำหนด IPC-4562 เกรด 3 พื้นผิวที่สัมผัสยังได้รับการเคลือบด้วยสารป้องกันการออกซิเดชันเพื่อป้องกันการกัดกร่อนระหว่างการจัดเก็บ
ฟอยล์ทองแดงเคลือบสองด้าน: ฟอยล์ทองแดงชนิดนี้มีการเคลือบทั้งสองด้านของฟิล์ม วัสดุนี้บางครั้งเรียกว่าฟอยล์เคลือบด้านดรัม
ทองแดงต้านทาน: โดยปกติแล้วจะไม่จัดอยู่ในประเภททองแดงที่ผ่านการปรับสภาพพื้นผิว ฟอยล์ทองแดงชนิดนี้ใช้การเคลือบโลหะบนด้านที่ไม่มันเงาของทองแดง จากนั้นจึงทำการขัดผิวให้หยาบตามระดับที่ต้องการ
การประยุกต์ใช้การปรับสภาพพื้นผิวในวัสดุทองแดงเหล่านี้ทำได้ง่าย โดยการนำแผ่นฟอยล์ไปผ่านอ่างอิเล็กโทรไลต์เพิ่มเติมเพื่อเคลือบทองแดงชั้นที่สอง ตามด้วยชั้นรองพื้นป้องกัน และสุดท้ายคือชั้นฟิล์มป้องกันการหมอง

แผ่นฟอยล์ทองแดง PCB

กระบวนการปรับสภาพพื้นผิวสำหรับแผ่นฟอยล์ทองแดง [ที่มา: Pytel, Steven G. และคณะ "การวิเคราะห์การปรับสภาพทองแดงและผลกระทบต่อการแพร่กระจายสัญญาณ" ในการประชุม Electronic Components and Technology Conference ครั้งที่ 58 ประจำปี 2008 หน้า 1144-1149. IEEE, 2008]
ด้วยกระบวนการเหล่านี้ คุณจะได้วัสดุที่สามารถนำไปใช้ในกระบวนการผลิตแผ่นวงจรมาตรฐานได้อย่างง่ายดาย โดยไม่ต้องผ่านกระบวนการเพิ่มเติมมากนัก

ทองแดงรีดอบอ่อน

ฟอยล์ทองแดงรีดเย็น จะได้ฟอยล์ทองแดงที่ผ่านลูกกลิ้งคู่หนึ่งเพื่อรีดเย็นแผ่นทองแดงให้ได้ความหนาตามต้องการ ความหยาบของแผ่นฟอยล์ที่ได้จะแตกต่างกันไปขึ้นอยู่กับพารามิเตอร์การรีด (ความเร็ว แรงดัน ฯลฯ)

แผ่นโลหะที่ได้จะมีลักษณะเรียบมาก และสามารถมองเห็นริ้วบนพื้นผิวของแผ่นทองแดงที่ผ่านการรีดและอบอ่อนได้ ภาพด้านล่างแสดงการเปรียบเทียบระหว่างแผ่นฟอยล์ทองแดงที่ผลิตด้วยกระบวนการชุบด้วยไฟฟ้าและแผ่นฟอยล์ทองแดงที่ผ่านการรีดและอบอ่อน

การเปรียบเทียบแผ่นฟอยล์ทองแดง PCB

การเปรียบเทียบฟอยล์ที่ผลิตด้วยวิธีการชุบด้วยไฟฟ้ากับฟอยล์ที่ผลิตด้วยวิธีการรีดและอบอ่อน
ทองแดงโปรไฟล์ต่ำ
นี่ไม่ใช่แผ่นฟอยล์ทองแดงชนิดที่คุณจะผลิตด้วยกระบวนการอื่นเสมอไป ทองแดงแบบบาง (Low-profile copper) คือทองแดงที่ได้จากการชุบด้วยไฟฟ้า แล้วนำมาปรับสภาพและดัดแปลงด้วยกระบวนการทำให้พื้นผิวหยาบระดับไมโคร เพื่อให้ได้ความหยาบเฉลี่ยต่ำมาก แต่ยังคงมีความหยาบเพียงพอสำหรับการยึดเกาะกับพื้นผิวรองรับ กระบวนการผลิตแผ่นฟอยล์ทองแดงเหล่านี้มักเป็นความลับทางการค้า โดยทั่วไปแล้วแผ่นฟอยล์เหล่านี้จะถูกแบ่งออกเป็นแบบบางพิเศษ (Ultra-low profile หรือ ULP) แบบบางมาก (Very low profile หรือ VLP) และแบบบาง (Low-profile หรือ LP, ความหยาบเฉลี่ยประมาณ 1 ไมครอน)

บทความที่เกี่ยวข้อง:

เหตุใดจึงใช้แผ่นฟอยล์ทองแดงในการผลิตแผงวงจรพิมพ์ (PCB)?

แผ่นฟอยล์ทองแดงที่ใช้ในแผงวงจรพิมพ์