Copper foil roughness and simulation applications

前言

高速设计需要考虑很多因素，比如板材、叠层、传输线、串扰控制等等，在高带宽场景中铜箔粗糙度是影响SI性能的关键因素之一。

一、铜箔介绍

铜箔是PCB主要金属导电材料，铜箔表面并不理想光滑而是具有粗糙的结构，实际加工中有意粗糙化铜箔表面，以使铜箔在高温和压力下粘附到相邻介质上，高速信号就好像沿着铜箔表面高低起伏的连绵山丘传输一样。铜箔光滑的一面称为光面（Drum Side），另一面是粗糙面，称为毛面（Matte Side）。

铜箔类型按照制作工艺可以分为电解铜箔和压延铜箔，电解铜箔主要应用硬线路板上。压延铜箔主要用在对弯曲、拉伸强度有较高要求的挠性板上。

铜箔按性能大致有以下常见类型：

标准铜箔STD、高温延伸性铜箔HTE、反转铜箔RTF、低轮廓铜箔VLP、超低轮廓铜箔HVLP、超薄铜箔ULP。

二、趋肤效应及粗糙度

趋肤效应使高速信号电流呈现出向传输线表面集中的趋势，如果趋肤深度比铜箔粗糙度小，则大部分电流将在铜箔的粗糙结构中传播，会导致串联电阻和导体损耗增加，铜箔粗糙度如果没有良好控制则会严重影响传输线阻抗和损耗，降低高速信号SI性能。

粗糙度量化指标有多种形式，常见的有：

Ra：在取样长度L内轮廓偏距绝对值的算术平均值，适用于铜箔光面

Rz：在取样长度内5个最大的轮廓峰高的平均值与5个最大的轮廓谷深的平均值之和，适用于铜箔毛面

Rq：均方根值RMS

三、粗糙度模型

常见粗糙度模型有Hammerstad模型、Hemisphere模型以及Huray模型。

1、Hammerstad模型简单，该模型是基于锯齿形式同时假设信号沿着表面传播，但是对高粗糙度铜箔拟合较差，在低频段拟合较好。

2、Hemisphere模型在高频段拟合较好，但是低频段拟合较差。模型有三种建模方法（L1\L2\L3），区别在于模型精细化程度，以获得不同的建模精度。

3、Huray模型使用雪球堆叠成金字塔型更接近实际情况，在整个频段拟合较好。

Huray模型有两种建模方法：

a) Huray Snowball Surface Roughness Model：特点是雪球非均匀分布，需要获取粗糙度因子the roughness factor 和雪球半径ball radius详细参数才能精确建模，这些参数不易从厂家获取。

b) Cannonball-Huray Surface Roughness Model：可以看作简化的hury模型，它的基本结构是由14个雪球堆叠成一个三层金字塔，从bottom到top层依次有9、4和1个雪球均匀分布堆叠而成，根据厂家datasheet中的参数可以很容易完成建模。

四、使用SIDesigner进行粗糙度建模及仿真分析

使用SIDesigner中的transmissionline控件，用户可以为传输线建立粗糙度模型。如图所示，有四种粗糙度模型可供选择，即Hammerstad&Jensen、Multilevel Hemispherical、Hury Snowball和Simplified Hury Snowball。

基本操作步骤如下：

1、原理图上放TML控件

2、打开TML编辑对话框，勾选粗糙度，打开粗糙度设置对话框

3、选择粗糙度模型，进行相应参数设置

4、点击Analyze进行快速电气特性分析，查看阻抗

5、点击Calculation进行S参数扫描分析，输出损耗波形

综上可知，巨霖SIDesigner可以提供高速信号完整性解决方案，支撑客户当下和未来高速设计仿真需求。通过简单易用的操作界面，用户可以方便地进行铜箔粗糙度建模，快速评估铜箔粗糙度对传输线和系统SI的影响，提早发现设计隐患，可靠评估系统SI设计方案，为未来产品化落地打下坚实基础。

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