مع انتقال ترددات تشغيل الـ PCB من نطاق الميغاهرتز إلى نطاق الغيغاهرتز، تتغيّر أولويات التصميم.
لم تعد رقاقة النحاس مجرد طبقة موصلة—فقوام سطحها يؤثر مباشرةً في طريقة انتقال الإشارات، وأصبح مصدرًا أساسيًا لفواقد الإشارة عالية السرعة.
تشرح هذه المقالة، من منظور هندسي، كيف تؤثر خشونة سطح رقاقة النحاس في توهين الإشارة داخل الـ PCBs عالية السرعة.
1) تأثير الجلد (Skin Effect) — التيارات عالية التردد تسري على السطح
عند ارتفاع التردد، تميل التيارات الكهربائية إلى السريان قرب سطح الموصل فقط.
تُعرَف هذه الظاهرة باسم تأثير الجلد، ويصبح عمق الجلد أصغر كلما زاد التردد.
وعند ترددات أعلى من 1 غيغاهرتز، يصبح عمق الجلد قريبًا من متوسط خشونة سطح رقاقة نحاس 0.5 أونصة (الجهة اللامعة).
هذا يعني أنه عندما تكون خشونة سطح النحاس بنفس رتبة عمق الجلد، فإن ملامح السطح لا تعود تفصيلًا مجهريًا، بل تؤثر مباشرةً في انتقال الإشارة.
2) لماذا تضيف الخشونة فواقد إضافية؟
تنشأ فواقد الإشارة في الـ PCBs عالية السرعة أساسًا من مصدرين:
- فقد العازل (Dielectric loss)
- فقد الموصل (Conductor loss)
وفقد الموصل لا ينتج عن مقاومة المعدن فقط، بل أيضًا عن فقد التبعثر الناجم عن خشونة السطح.
فالسطح الخشن يُجبر التيار على سلوك مسار أطول وأكثر تعرّجًا، ما يزيد المقاومة وفقد الطاقة.
ويتعاظم هذا الأثر بسرعة مع ارتفاع التردد.
3) نتائج الاختبارات — فروق صغيرة عند الترددات المنخفضة وكبيرة عند العالية
تُظهر الدراسات على أنواع مختلفة من رقائق النحاس ما يلي:
- عند حوالي 1 غيغاهرتز تكون فروق الفقد بين الرقائق ذات مستويات الخشونة المختلفة صغيرة.
- عند الترددات الأعلى، تزداد الفروق بسرعة.
- كلما ازداد خشونة السطح، ازداد توهين الإشارة.
لهذا السبب تُصبح خشونة النحاس—التي تُهمَل غالبًا في التصميمات منخفضة السرعة—مسألةً حرجة في التطبيقات عالية السرعة وترددات RF.
4) أثر التصنيع — المعالجة بـ Brown Oxide ليست «مجانية»
في تصنيع الـ PCB، تُخشَّن رقاقة النحاس بعملية Brown Oxide باستخدام كيميائيات الأكسيد أو البديل للأكسيد لتحسين التصاق الطبقات الداخلية.
أظهرت المقارنات عند 1 غيغاهرتز ما يلي:
- العينات الأكثر نعومة: Df ≈ 0.021
- العينات الأكثر خشونة: Df ≈ 0.026
تُبيّن هذه النتائج أنه رغم أن الخشونة السطحية تُحسّن قوة الالتصاق، فإن الخشونة المُضافة يمكن أن تصبح مصدرًا رئيسيًا لفواقد الإشارة في التصميمات عالية السرعة.
5) توصيات هندسية — طابِق نوع رقاقة النحاس مع متطلبات سلامة الإشارة
عند سرعات بمرتبة الغيغاهرتز أو في تطبيقات RF، يجب أن تتوافق اختيارات رقاقة النحاس ومعالجات السطح مع متطلبات سلامة الإشارة (SI).
يختار العديد من المصممين اليوم:
- رقاقة نحاس منخفضة البروفايل (Low-Profile)
- رقاقة نحاس منخفضة البروفايل جدًا (Ultra-Low-Profile)
- رقاقة نحاس مُعالجة عكسيًا (RTF: Reverse-Treated Foil)
تساعد هذه الأنواع في الحفاظ على موثوقية جيدة، مع تقليل فقد الإدراج (Insertion Loss) وتوهين الإشارة قدر الإمكان.
الخلاصة
في تصميم الـ PCB عالي السرعة اليوم، تحوّلت رقاقة النحاس من «مادة خلفية» إلى عامل نشط يُشكّل سلامة الإشارة.
إن فهم خشونة سطح النحاس والسيطرة عليها خطوة أساسية نحو أداء موثوق في عصر الغيغاهرتز.
