Wenn sich die Betriebsfrequenzen von PCBs vom MHz- in den GHz-Bereich verschieben, ändern sich die Design-Prioritäten.
Kupferfolie ist nicht mehr nur eine leitende Schicht – ihre Oberflächentextur beeinflusst direkt die Signalausbreitung und wird zu einer wichtigen Quelle von Hochgeschwindigkeits-Verlusten.
Dieser Beitrag erklärt aus ingenieurtechnischer Sicht, wie die Rauheit der Kupferfolie die Signaldämpfung in High-Speed-PCBs beeinflusst.
1. Skineffekt – Hochfrequente Ströme fließen an der Oberfläche
Mit steigender Frequenz konzentriert sich der Strom auf den Bereich nahe der Leiteroberfläche.
Dieses Phänomen heißt Skineffekt.
Die Eindringtiefe (Skin Depth) nimmt mit der Frequenz ab und liegt bei Frequenzen über 1 GHz in der Größenordnung der mittleren Rauheit von 0,5-oz-Kupferfolie auf der glänzenden Seite.
Befinden sich Oberflächenrauheit und Eindringtiefe in derselben Größenordnung, ist das Oberflächenprofil kein mikroskopisches Detail mehr, sondern beeinflusst die Signalübertragung direkt.
2. Warum Rauheit zusätzliche Verluste verursacht
Signalverluste in High-Speed-PCBs stammen im Wesentlichen aus zwei Quellen:
- Dielektrische Verluste
- Leiterverluste
Leiterverluste entstehen nicht nur durch den ohmschen Widerstand des Metalls, sondern auch durch Streuverluste infolge der Oberflächenrauheit.
Eine raue Oberfläche zwingt den Strom zu einem längeren, ungleichmäßigeren Weg – der Widerstand und der Energieverlust steigen.
Dieser Effekt nimmt mit der Frequenz schnell zu.
3. Messergebnisse – geringe Unterschiede bei niedriger, große bei hoher Frequenz
Untersuchungen verschiedener Kupferfolien zeigen:
- Um 1 GHz sind die Verlustunterschiede zwischen Folien mit unterschiedlicher Rauheit gering.
- Bei höheren Frequenzen wachsen die Unterschiede rasch.
- Je rauer die Oberfläche, desto stärker die Signaldämpfung.
Darum wird die Kupferrauheit, die in Low-Speed-Designs oft vernachlässigt wird, in High-Speed- und RF-Anwendungen zum ernsten Thema.
4. Einfluss der Fertigung – Brown Oxide ist nicht „kostenlos“
In der Leiterplattenfertigung wird die Kupferoberfläche mittels Brown-Oxide-Prozess (Oxid oder Oxid-Ersatz) aufgeraut, um die Haftung der Innenlagen zu verbessern.
Vergleiche bei 1 GHz zeigen:
- Glattere Proben: Df ≈ 0,021
- Rauere Proben: Df ≈ 0,026
Die Ergebnisse belegen: Obwohl Aufrauen die Verbundfestigkeit verbessert, kann die zusätzliche Rauheit in High-Speed-Designs zu einer wesentlichen Verlustquelle werden.
5. Engineering-Fazit – Kupferfolie auf Signal-Integrity abstimmen
Bei Geschwindigkeiten im GHz-Bereich oder in RF-Anwendungen müssen Auswahl der Kupferfolie und Oberflächenbehandlung mit den SI-Anforderungen übereinstimmen.
Viele Entwickler setzen heute auf:
- Low-Profile-Kupferfolie
- Ultra-Low-Profile-Kupferfolie
- Reverse-Treated Foil (RTF)
Diese Folien helfen, die Zuverlässigkeit hoch zu halten und gleichzeitig Insertion Loss und Signaldämpfung zu minimieren.
Schlussfolgerung
Im modernen High-Speed-PCB-Design hat sich Kupferfolie vom Hintergrundmaterial zu einem aktiven Faktor für die Signal-Integrität entwickelt.
Das Verstehen und Kontrollieren der Kupferoberflächenrauheit ist ein entscheidender Schritt zu zuverlässiger Leistung im GHz-Zeitalter.
