Kupferfolien für Hochfrequenz-Schaltungsmaterialien – 6-Lagen-Leiterplatte verwendet ein RO4350B + IT-180A Hybrid-PCB-Design

Produkt-Beschreibung

Kupferfolien für Hochfrequenz-Schaltkreismaterialien – Auswahlhilfe für verlustarmes PCB-Design

 

F: Warum ist die Auswahl der Kupferfolie für Hochfrequenz-Leiterplatten wichtig?

A: Die Oberflächenrauheit der Kupferfolie ist ein entscheidender Faktor für die Signalintegrität in Hochfrequenzdesigns, insbesondere über 1 GHz. Rauheit zwingt hochfrequenten Strom – der sich aufgrund des Skin-Effekts in der Nähe der Leiteroberfläche konzentriert – dazu, einen längeren effektiven Weg zurückzulegen, wodurch elektromagnetische Energie in Wärme umgewandelt wird und die Einfügedämpfung zunimmt.

 

Bei Millimeterwellenfrequenzen kann eine standardmäßige elektrolytisch abgeschiedene (ED) Folie den Leiterverlust im Vergleich zu glatten Folien verdoppeln oder verdreifachen. Für Ihre 6-lagige Hybrid-Leiterplatte, die RO4350B (HF-Schichten) und IT-180A (Kernschichten) kombiniert, ist die Auswahl der richtigen Kupferfolie von entscheidender Bedeutung, um die für 5G- und Mikrowellenanwendungen erforderliche verlustarme Leistung zu erreichen.

 

 

1. Kupferfolienherstellung – ED vs. gewalzt

Kupferfolien für Leiterplattenlaminate werden durch zwei grundlegend unterschiedliche Prozesse hergestellt, die zu unterschiedlichen Oberflächeneigenschaften und elektrischen Leistungen führen.

 

Galvanisiertes (ED) Kupfer

Beim ED-Verfahren wird Kupfer aus einer Kupfersulfatlösung elektrochemisch auf einer rotierenden Titantrommel abgeschieden. Die Trommelseite (glatt) zeigt zum Dielektrikum, während die matte Seite (rau) nach außen zeigt. Die matte Seite wird einer zusätzlichen Behandlung unterzogen, um die Haftung zu verbessern.

 

Kristallstruktur:ED-Kupferkristalle wachsen der Länge nach entlang der Z-Achse der Folie und bilden eine „Lattenzaun“-Struktur mit langen Kristallgrenzen senkrecht zur Folienebene.

 

Rauheit:ED-Folien haben typischerweise eine höhere Oberflächenrauheit (Rz = 5–12 µm) im Vergleich zu gewalztem Kupfer, wobei die behandelte Seite deutlich rauer ist als die Trommelseite.

 

Vorteil:Niedrigere Kosten und größere Verfügbarkeit.

 

 

Gewalztes Kupfer

Walzkupfer wird durch aufeinanderfolgende Kaltwalzvorgänge zur Reduzierung der Dicke ausgehend von einem reinen Kupferbarren hergestellt. Die Oberflächenglätte hängt vom Zustand des Walzwerks ab.

 

Kristallstruktur:Beim Kaltwalzen werden gewalzte Kupferkristalle gebrochen und zerkleinert, wodurch kleinere, unregelmäßige, kugelförmige Formen entstehen, die nahezu parallel zur Folienebene ausgerichtet sind.

 

Rauheit:Walzkupfer ist typischerweise der glatteste Kupferfolientyp mit sehr niedrigem Profil (Rz < 3 µm).

 

Vorteil:Aufgrund der glatten Oberfläche und der hervorragenden Dehnung hervorragend für Hochfrequenzanwendungen geeignet.

 

 

2. Rauheit von Kupfer – der entscheidende Verlustmechanismus

Bei Gleichstrom verteilt sich der Strom gleichmäßig über den Leiterquerschnitt. Mit zunehmender Frequenz drängt sich der Strom zur Leiteroberfläche hin.

 

Die Skintiefe δ beträgt:

δ = 1 / √(π·f·µ·σ)

Bei 10 GHz in Kupfer beträgt δ ≈ 0,66 µm.

 

Verhältnis von Rauheit zu Hauttiefe

Der entscheidende Parameter ist das Verhältnis von RMS-Rauheit zur Eindringtiefe (Rrms/δ). Mit zunehmender Frequenz und abnehmender Eindringtiefe wird die Rauheit proportional größer:

Verhältnis (Rrms/δ)	Auswirkungen auf den Verlust
< 0,1	Vernachlässigbarer Effekt (<2 % zusätzlicher Verlust)
0,1 bis 1,0	Mäßige Auswirkung (10–50 % zusätzlicher Verlust)
> 1,0	Schwerwiegende Auswirkungen (50–100 % + zusätzlicher Verlust)

 

Für StandardED-Folie (Rrms ≈ 3–4 µm), übersteigt das Verhältnis 1,0 über ~5 GHz – genau den Betriebsbereich moderner 5G- und Millimeterwellensysteme.

 

Das Hall-Huray-Modell

Die IPC- und IEEE-Gemeinschaften haben das „Schneeball“-Modell von Huray als physikalisch genauesten Rauheitskorrekturfaktor übernommen. Im Gegensatz zum älteren Hammerstad-Modell (das bei einem 2-fachen Korrekturfaktor sättigt) stellt das Huray-Modell die raue Oberfläche als eine Ansammlung kugelförmiger Vorsprünge dar und sagt Rauheitsverlustfaktoren von 2,5–3,5 × bei Millimeterwellenfrequenzen für Standardfolie genau voraus.

 

 

3. Messungen der Rauheit von Kupferfolien

Rogers verwendet Weißlichtinterferometrie, um die Rauheit der Kupferfolie zu charakterisieren und das Sq-Profil (RMS) zu ermitteln. Studien zeigen, dass das behandelte Seitenprofil am besten mit den Leiterverlusten korreliert.

 

Typische Rauheitswerte nach Folientyp

Folientyp	Gewicht	Dielektrizitätsseite Quadrat (µm)	Oberseite im Quadrat (µm)	Produkte
Gerollt	1 Unze	0,4	0,3	RT/Duroid, RO3003, RO3035, 6202
Gerollt	½ Unze	0,4	0,3	Das Gleiche wie oben
ED (RO4350B)	1 Unze	3.2	0,4	RO4350B, RO4003C, RO4360G2
ED (RO4350B)	½ Unze	2.8	0,4	RO4350B, RO4003C
LoPro®	1 Unze	0,9	1.3	RO4003C, RO4350B, RO4835
LoPro®	½ Unze	0,9	0,8	RO4003C, RO4350B, RO4835
ED Low Profile RT	1 Unze	1	1.3	CLTE, DiClad, IsoClad
ED Low Profile RT	½ Unze	1	0,8	CLTE, DiClad, IsoClad

 

Quelle: Datenblatt zu Kupferfolien der Rogers Corporation

Wichtige Erkenntnis: Die Rauheit der dielektrischen Seite (die mit dem Laminat verbundene Oberfläche) trägt hauptsächlich zum Leiterverlust bei. Walzkupfer (Sq = 0,4 µm) bietet die glatteste Oberfläche, während Standard-ED-Folie auf RO4350B (Sq = 2,8–3,2 µm) eine deutlich höhere Rauheit aufweist.

 

 

4. Überlegungen zu Hybrid-Stapelfolien

Ihr 6-Lagen-Board verwendet aRO4350B + IT-180A-HybridStapelung:

 

Blind Vias (L1-L2, L3-L6)und Kantenbeschichtung erhöhen die Komplexität zusätzlich – sie erfordern eine präzise Kontrolle der Beschichtungsparameter und der Oberflächenvorbereitung.

 

Vergleichstabelle – Kupferfolienoptionen für Hochfrequenz-Leiterplatten

Eigentum	Standard-ED	Gewalztes Kupfer	LoPro®	HVLP
Rauheit (Quadrat)	2,8–3,2 µm	0,3–0,4 µm	0,9 µm	0,6–1,2 µm
Rauheit (Rz)	8–12 µm	< 3 µm	3–5 µm	1,5–3 µm
Einfügedämpfung bei 10 GHz	Hoch	Sehr niedrig	Niedrig	Sehr niedrig
Thermoschockbeständigkeit	Mäßig	Exzellent	Gut	Gut
Schälfestigkeit	Höher (rauer = bessere Haftung)	Untere	Mäßig	Mäßig
Kosten	Niedrig	Hoch	Mitte	Hoch
Primäre Verwendung	Allgemeine RF, kostensensibel	Luft- und Raumfahrt, extreme Thermik	Hochfrequenz-Digital, mmWave	25G–112G SerDes, mmWave

 

 

 

Anwendungsbereiche

• Automobilradar (77 GHz)
• Hochleistungs-HF
• Luft- und Raumfahrt / Verteidigung
• Phased-Array-Antennen
• Hochgeschwindigkeits-Digital (56G/112G PAM4)

 

 

F1: Warum hat Walzkupfer eine bessere Temperaturwechselbeständigkeit als ED-Kupfer?

A: Walzkupfer weist eine bessere elastische Dehnung auf, bevor eine dauerhafte Verformung erreicht wird. ED-Kupfer kann bei schnellen Temperaturwechseln in schmalen Leitern Spannungsrisse aufweisen.

 

 

F2: Was ist LoPro®-Folie und wann sollte ich sie verwenden?
A: LoPro® ist die flache Kupferfolie von Rogers mit einer glatten Oberfläche (Quadratmeter = 0,9 µm). Es ist für Materialien der RO4000-Serie verfügbar und reduziert die Einfügungsdämpfung bei hohen Frequenzen im Vergleich zu Standard-ED-Folie erheblich.

 

 

F3: Welche Folie wird für mein Hybridboard RO4350B + IT-180A empfohlen?
A: Für die RO4350B-Außenschichten (HF-kritisch) empfehlen wir LoPro® oder gewalztes Kupfer, um Einfügungsverluste zu minimieren. Für die IT-180A-Kernschichten (Strom/Masse) ist Standard-ED-Kupfer ausreichend.

 

 

F4: Beeinflusst die Folienauswahl die Impedanzkontrolle?
A: Ja. Eine höhere Rauheit erhöht die effektive Dielektrizitätskonstante, wodurch sich die Impedanz um mehrere Ohm verschieben kann. Dies muss in Ihrem Impedanzrechner berücksichtigt werden.

 

 

Kontaktieren Sie uns

Als spezialisierter Leiterplattenlieferant bieten wir umfassende Beratung zur Auswahl von Kupferfolien für Hochfrequenzdesigns. Wir arbeiten mit allen gängigen Folientypen und können Ihnen bei der Auswahl der optimalen Option für Ihre spezifische Anwendung helfen.

 

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