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(shè)計(jì)中，我們常常關(guān)注的是芯片的驅(qū)動(dòng)能力、PCB介質(zhì)的介電常數(shù)、介質(zhì)損耗角、連接器、線纜等等，其實(shí)導(dǎo)體（銅）的表面粗糙度的影響也很大，特別是當(dāng)信號(hào)的速率越來越高的時(shí)候。所以在高速電路設(shè)計(jì)中，每一個(gè)與電路相關(guān)的因素都很重要。

在高速電路設(shè)計(jì)中，鏈路中的每一個(gè)參數(shù)都有可能導(dǎo)致傳遞的信號(hào)出問題。今天就和大家分享一個(gè)平常大家不太注意的參數(shù)。

先回顧下在中學(xué)的時(shí)候，咱們學(xué)習(xí)的一個(gè)概念，趨膚效應(yīng)：當(dāng)信號(hào)的頻率較越來越高時(shí)，信號(hào)都會(huì)趨向于導(dǎo)體的表面?zhèn)鬟f。這樣就會(huì)導(dǎo)致信號(hào)流過導(dǎo)體的相對(duì)有效面積變小，從電阻的角度來分析，這就會(huì)導(dǎo)致電阻增加，導(dǎo)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(jī)材料組成的，如下圖所示：

我們平時(shí)看到的銅箔，表面上看起來都是非常光滑的，實(shí)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(gè)示意圖，如下圖所示：

銅箔的表面都是有很多銅牙存在的。目前小編沒有發(fā)現(xiàn)非常官方的數(shù)據(jù)說明普通的銅牙到底有多長(zhǎng)，據(jù)小編看到的普通的銅箔，沒有經(jīng)過處理的銅牙（銅箔粗糙度）一般都是在20～30um左右。當(dāng)然，常規(guī)的根據(jù)銅箔粗糙度的厚度（系數(shù)）不同，目前有標(biāo)準(zhǔn)銅箔、反轉(zhuǎn)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(huì)影響到信號(hào)完整性，那么我們就來做一個(gè)實(shí)驗(yàn)看看。原理圖如下所示，把銅箔粗糙度的設(shè)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(jié)果可以看到：眼圖的寬度為97ps，高度為0.652V，信號(hào)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(dāng)粗糙度為5um的時(shí)候，眼圖的寬度為94.5ps，高度為0.532V。

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

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

當(dāng)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(jié)果，咱們可以看到當(dāng)銅箔粗糙度的系數(shù)（厚度）增加時(shí)，眼圖的的margin越來越小，抖動(dòng)（Jitter）越來越大。

有的工程師經(jīng)常會(huì)問到這樣一個(gè)問題：當(dāng)信號(hào)的速率為多少的時(shí)候，在實(shí)際項(xiàng)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考慮的話，當(dāng)信號(hào)速率超過5G以上的時(shí)候，就應(yīng)當(dāng)適當(dāng)?shù)目紤]銅箔的選擇問題（如果設(shè)計(jì)要求不高，也可以不考慮）。

所以，當(dāng)信號(hào)的速率越來越高的時(shí)候，我們不僅僅需要關(guān)注芯片的驅(qū)動(dòng)能力、PCB介質(zhì)的介電常數(shù)、介質(zhì)損耗角、連接器、線纜等等，還需要考慮到導(dǎo)體（銅）的表面粗糙度的影響。