銅箔粗糙度——會有這么大影響么？

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

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

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

在電子產品使用的PCB，基本都是由銅箔和有機材料組成的，如下圖所示：

我們平時看到的銅箔，表面上看起來都是非常光滑的，實際上并不如你肉眼所見的那樣，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。目前小編沒有發現非常官方的數據說明普通的銅牙到底有多長，據小編看到的普通的銅箔，沒有經過處理的銅牙（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。

前面說到，銅箔的粗糙度會影響到信號完整性，那么我們就來做一個實驗看看。原理圖如下所示，把銅箔粗糙度的設置為一個變量，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，逐步改變銅箔粗糙度的厚度，觀察眼圖的變化，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的時候，眼圖的寬度為94.5ps，高度為0.532V。

當粗糙度為10um的時候，眼圖的寬度為93ps，高度為0.499V。

當粗糙度為15um的時候，眼圖的寬度為91ps，高度為0.424V。

當粗糙度為20um的時候，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，眼圖的的margin越來越小，抖動（Jitter）越來越大。

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

所以，當信號的速率越來越高的時候，我們不僅僅需要關注芯片的驅動能力、PCB介質的介電常數、介質損耗角、連接器、線纜等等，還需要考慮到導體（銅）的表面粗糙度的影響。